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Cours générale sur les Bases de données

Qu’est ce qu’une base de données ?

 Une base de données (BD) est un ensemble d’informations archivées dans des mémoires accessibles à des ordinateurs en vue de permettre le traitement des diverses applications prévues pour elles.

 L’intérêt d’une BD est de regrouper les données communes à une application dans le but :

 d’éviter les redondances et les incohérences qu’entraînerait fatalement une approche où les données seraient réparties dans différents fichiers sans connexions entre eux,

 d’offrir des langages de haut niveau pour la définition et la manipulation des données,

 de partager les données entre plusieurs utilisateurs,

 de contrôler l’intégrité, la sécurité et la confidentialité des données,

 d’assurer l’indépendance entre les données et les traitements.

 Les bases de données sont gérées par des logiciels spécialisés appelés systèmes de gestion de bases de données (SGBD).

Schéma conceptuel

 Le schéma conceptuel est une représentation du monde réel auquel se rapporte la BD.

 Principaux concepts :

 entité (ou objet) : une personne, un livre

 propriété (ou attribut) : le titre d’un livre, l’adresse d’une personne

 association : entre une personne et le livre dont elle est l’auteur

 agrégat : une adresse composée d’une rue et d’un code postal

 collection : un ensemble de personnes, une liste de prénoms

Principaux modèles conceptuels

 1ère génération :

 hiérarchique (IMS d’IBM)

 réseau (DBTG CODASYL)

 2e génération :

 relationnel

 entité-association

 3e génération :

 modèle orienté objet

 modèle objet-relationnel

 UML

 4e génération (les données du Web)

 XML

Exemple

 Soit une BD décrivant les livres d’un bibliothèque et leurs auteurs.

 On suppose qu’un livre est identifié par sa cote et un auteur par son nom.

 On se place à l’instant où la bibliothèque contient :

 un seul livre,

 ayant la cote BD/46 et le titre « Les BD en BD »,

 écrit par Jean Dupont né en 1960 et Pierre Durand né en 1953.

Jacques Le Maitre BD et SGBD 9

Jacques Le Maitre BD et SGBD 10

Exemple en relationnel

 Schéma

 livre(cote: texte, titre: texte)

auteur(nom: texte,

 prénom: texte,

 année_naissance: entier)

écrire(cote: texte, nom: texte)

 Extension

livre

cote titre

BD/46 Les BD en BD

auteur

nom prénom année_naissance

Dupont Jean 1960

Durand Pierre 1953

écrire

cote nom

BD/46 Dupont

BD/46 Durand

Exem

Exemple en orienté objet

 Schéma

 classe livre

attribut cote: texte

attribut titre: texte

attribut écrit_par: liste(auteur) classe auteur

attribut nom: texte

attribut prénom: texte

attribut année_naissance: entier

méthode age(): entier {année_courante - self->année_naissance}

livres: ensemble(livre)

auteurs: ensemble(auteur)

 Instances

 (l1, {cote = "BD/46", titre = "Les BD en BD", écrit_par = [a1,a2]})

(a1, {nom = "Dupont", prénom = "Jean", année_naissance = 1960})

(a2, {nom = "Durand", prénom = "Pierre", année_naissance = 1953})

 Variables persistantes

 livres = {l1} auteurs = {a1, a2}

Jacques Le Maitre BD et SGBD 11

Jacques Le Maitre BD et SGBD 12

Exemple en XML (1)

 <!ELEMENT bd (livres, personnes)

<!ELEMENT livres (livre*)>

<!ELEMENT livre (cote, titre, écrit_par*)>

<!ELEMENT cote (#PCDATA)>

<!ELEMENT titre (#PCDATA)>

<!ELEMENT écrit_par EMPTY>

<!ATTLIST écrit_par ref IDREF>

<!ELEMENT auteurs (personne*)>

<!ELEMENT auteur (nom, prénom, année_naissance)>

<!ATTLIST auteur id ID>

<!ELEMENT nom (#PCDATA)>

<!ELEMENT prénom (#PCDATA)>

<!ELEMENT année_naissance (#PCDATA)>

Jacques Le Maitre BD et SGBD 13

Exemple en XML (2)

 <bd>

<livres>

 <livre>

 <cote>BD/46</cote>

 <titre>Les BD en BD</titre>

 <écrit_par ref="a1"/><écrit_par ref="a2"/>

 </livre>

</livres>

<auteurs>

 <auteur id="a1">

 <nom>Dupont</nom>

 <prénom>Jean</prénom>

 <année_naissance>1960</année_naissance>

 </auteur>

 <auteur id="a2">

 <nom>Durand</nom>

 <prénom>Pierre</prénom>

 <année_naissance>1953</année_naissance>

 </auteur>

</auteurs>

</bd>

Schéma externe

 Un schéma externe représente la façon dont un utilisateur final ou un programme d’application voit la partie de la BD qui le concerne.

 Il existe en général plusieurs modèles externes pour une même BD.

 Le schéma conceptuel d’une BD peut être complexe : les schémas externes donnent aux utilisateurs une vision plus simple de ce schéma.

 Les schémas externes permettent aussi de protéger la BD contre des manipulations incorrectes ou non autorisées, en cachant certaines données à certains utilisateurs.

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Jacques Le Maitre BD et SGBD 15

Schéma interne

 Le schéma interne décrit l’organisation des données en mémoire secondaire (sur disque) et la façon d’y accéder.

 L’organisation choisie doit permettre :

 d’accéder le plus rapidement possible à un ensemble de données vérifiant certaines conditions,

 de créer, modifier ou supprimer des données avec une réorganisation minimale et une utilisation optimale de la place disponible.

Architecture d’un SGBD

 On distingue 3 grands types d’architecture :

 architecture centralisée,

 architecture client-serveur,

 architecture trois-tiers.

... ... ...

Contrôles

 Intégrité

 Les données stockées dans une BD doivent respecter un certain nombre de contraintes dites d’intégrité. Un SGBD doit assurer qu’elles sont toujours respectées.



 Confidentialité

 Un SGBD doit permettre d’interdire à certaines personnes de réaliser certaines opérations sur une partie ou sur toute la BD.

 Concurrence

 Plusieurs utilisateurs se partagent la même BD. Un SGBD doit gérer les conflits qui peuvent se produire lorsqu’ils manipulent simultanément les mêmes données de façon à ce que la BD ne soit pas mise dans un état incohérent.

 Reprise après panne

 Après une panne, qu’elle soit d’origine logicielle ou matérielle, un

SGBD doit être capable de restaurer la BD dans un état cohérent, le même ou le plus proche de celui précédant la panne.

Transactions

 Pour un SGBD l’unité de traitement est la transaction.

 Une transaction est un fragment de programme qui fait passer une BD d’un état cohérent à un autre état cohérent, par une suite d’actions élémentaires.

 Un exemple classique de transaction est l’opération qui transfère une somme S d’un compte bancaire A à un compte bancaire B :

 début transaction

solde(A) = solde(A) - S

solde(B) = solde(B) + S

fin transaction

 Il est clair que cette opération ne doit pas être interrompue entre le débit de A et le crédit de B.

Indépendance données-traitements

 L’indépendance données-traitements est indispensable pour pouvoir faire évoluer facilement l’organisation logique ou physique d’une BD ou bien l’architecture matérielle du SGBD qui la gère.

 L’indépendance données-traitements permet si elle est atteinte :

 de modifier l’organisation physique (par exemple ajouter un index pour un accès plus rapide) sans modifier le schéma conceptuel ou les programmes d’applications,

 de modifier le schéma conceptuel (par exemple ajouter un nouveau type d’entité ou d’association) sans modifier les programmes d’applications non concernés par cet modification.

 On parle aussi d’indépendance logique et d’indépendance physique.

Qui intervient sur une BD ?

 L’administrateur (une personne ou une équipe) :

 Il définit le schéma conceptuel de la BD et le fait évoluer.

 Il fixe les paramètres de l’organisation physique de façon à optimiser les performances.

 Il gère les droits d’accès et les mécanismes de sécurité.

 Les programmeurs d’application :

 Ils définissent les schémas externes et construisent les programmes qui alimentent ou exploitent la BD en vue d’applications particulières.

 Ils utilisent pour cela le langage de bases de données du SGBD, éventuellement couplé avec un langage de programmation classique.

 Les utilisateurs finaux :

 Ils accèdent à la BD au travers des outils construits par les programmeurs d’applications ou pour les plus avertis au travers du langage de requêtes.

Modèle entité-association

Historique et objectifs

 Le modèle entité-association (EA) a été proposé par Peter

Chen en 1976 sous le nom Entity-Relationship Model.

 C’est un langage graphique destiné à la construction du modèle conceptuel d’une BD, indépendamment du SGBD qui sera utilisé pour gérer celle-ci.

 Il est à la base de nombreuses méthodes de conception de

BD dont la méthode Merise.

 Il est bien adapté à la conception d’une BD relationnelle car la traduction entité-association  relationnel est relativement naturelle.

La BD Réseau de bibliothèques

 Les concepts du modèle EA seront illustrés, sur une BD décrivant un réseau de bibliothèques (universitaires, municipales, ...) et dont les données concernent :

 les bibliothèques dont chacune est identifiée par son nom,

 les exemplaires de livre dont chacun est identifié par sa cote et est conservé par une bibliothèque du réseau,

 les livres dont sont tirés ces exemplaires, dont chacun est identifié par son ISBN (numéro international),

 les personnes dont chacune est identifiée par son nom et son prénom,

 les auteurs des livres qui sont des personnes,

 les abonnés à ce réseau de bibliothèques qui sont des personnes,

 les directeurs des bibliothèques de ce réseau, qui sont des personnes,

...

Entités et associations

 Le modèle EA repose sur deux concepts principaux :

 les entités du monde décrit par une BD,

 les associations entre ces entités.

 Une entité est décrite par ses attributs. Par exemple, une personne décrite par son nom, son prénom, son âge et la ville dans laquelle elle habite.

 Une entité est identifiée par sa clé : les valeurs d’une partie de ses attributs. Par exemple, une personne peut être identifiée par son nom et son prénom.

 Une association exprime un lien entre plusieurs entités. Par exemple, l’emprunt d’un livre par une personne.

 Une association peut aussi avoir des attributs. Par exemple, l’emprunt d’un livre par une personne à une certaine date.

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Schéma et extension

 Le schéma EA d’une BD est composé de l’ensemble des définitions des types d’entité et d’association auxquelles doivent appartenir les instances de cette BD :

 toute entité a un type,

 toute association a un type.

 On appelle extension d’un type d’entité ou d’association à un instant donné, l’ensemble des instances de ce type enregistrées dans la BD à cet instant.

Type d’entité (1)

 Un type d’entité est défini par :

 son nom,

 ses attributs,

 sa clé : les attributs dont les valeurs identifient une entité de ce type.

 Un attribut est défini par :

 son nom,

 le type de ses valeurs.

 Pour raison de simplicité :

 on ne spécifiera pas les types des valeurs des attributs,

 on considérera que ces valeurs sont atomiques (comme dans le modèle relationnel)

...

Désignation des entités et des associations

 Il est habituel de désigner un type d’entité par un substantif et une association :

 soit par un verbe, quand elle exprime une action

 soit par un substantif quand elle exprime un état

 Par exemple :

 les type d’entité livre, personne, bibliothèque, ville,

 le type d’association écrire qui exprime qu’un livre a été écrit par une personne et qu’une personne a écrit un livre.

 le type d’association localisation qui exprime qu’un bibliothèque est localisée dans une ville.

Type d’association binaire *-*

Jacques Le Maitre BD et SGBD 38

  • * représente un entier positif ou nul.
  • Une personne peut avoir écrit un ou plusieurs livres : elle peut donc apparaître

0, 1 ou plusieurs fois dans une extension de l’association écrire.

  • Un livre a été écrit par au moins une personne : il doit donc apparaître

1 ou plusieurs fois dans une extension de l’association écrire. personne écrire livre

0, * 1, *

Jacques Le Maitre BD et SGBD 39

Type d’association binaire 1-*

  • Un exemplaire est tiré d’un et d’un seul livre.
  • Un livre a été tiré en un ou plusieurs exemplaires. exemplaire tirage livre

1, 1 1, *

Jacques Le Maitre BD et SGBD 40

Type d’association binaire 1-*

  • Une bibliothèque conserve un ou plusieurs exemplaires de livres.
  • Un exemplaire d’un livre est conservé dans une et une seule bibliothèque.

1, * bibliothèque conservation exemplaire

1, 1

Jacques Le Maitre BD et SGBD 41

Type d’association binaire 1-1

  • Une personne peut diriger une bibliothèque au plus.
  • Une bibliothèque est dirigée par une et une seule personne. personne diriger bibliothèque

0, 1 1, 1



Jacques Le Maitre BD et SGBD 42

Type d’association ternaire avec attribut

  • L’emprunt d’un exemplaire de livre est une action matérialisée par un formulaire créé à la date de l’emprunt et supprimé lorsque l’exemplaire emprunté est rendu.
  • Un abonné au réseau peut emprunter un exemplaire d'un livre dans une bibliothèque du réseau (qui peut être différente de celle qui conserve cet exemplaire), mais il ne peut pas avoir plus de 5 emprunts en cours.
  • Un exemplaire de livre ne peut apparaître que dans un seul acte d’emprunt. abonné bibliothèque

0, 5 0, *

0, 1 emprunter date exemplaire

Jacques Le Maitre BD et SGBD 43

Type d’association avec rôle (1)

  • Dans une association (p, b) de type diriger la personne p joue le rôle de directeur. Directeur rôle personne diriger bibliothèque

0, 1 1, 1

Type d’association avec rôle (2)

Jacques Le Maitre BD et SGBD 44

  • Lorsqu’un même type d’entité participe plusieurs fois à un type d’association, il est nécessaire d’indiquer le rôle que jouent ses instances dans chaque cas.
  • Une section d’un livre peut être composée de sections : une section composée joue le rôle de mère, une section composante joue le rôle de fille.
  • Une section ne peut apparaître qu’une seule fois comme section fille.
  • Une section peut apparaître plusieurs fois comme section mère. section composition mère fille

0, *

0, 1

Type d’entité faible (1)

Jacques Le Maitre BD et SGBD 45

  • Une entité faible est une entité qui n’existe que comme composante d’une autre entité : son entité mère. Lorsqu’elle celle-ci est supprimée, elle doit l’être aussi.
  • Une entité faible a une clé locale qui l’identifie parmi les entités faibles du même type de son entité mère.
  • La clé d’une entité faible est donc la concaténation de sa clé locale et de la clé de son entité mère.
  • Le processus peut être récursif, mais il doit y avoir une entité mère racine.

E F clé locale clé

type d’entité mère type d’entité faible

Type d’entité faible (2)

  • Une section d’un livre peut être composée d’autres sections.
  • Les sections d’un livre sont numérotées. Cette numérotation est locale à ce livre : deux sections de deux livres différents peuvent avoir le même numéro.
  • Une entité section a donc pour clé locale son numéro (attribut no) et pour clé son numéro et l’ISBN (attribut ISBN) du livre auquel cette section appartient. section livre no ISBN

Type d’association isa (1)

Jacques Le Maitre BD et SGBD 47

  • Une entité de type E1 possède toutes les propriétés d’une entité de type E2 plus certaines autres.
  • On dit que E1

est une spécialisation de E2 ou que E2

est une généralisation

Type d’association isa (2)

Jacques Le Maitre BD et SGBD 48

  • Une personne est décrite par son nom, son prénom, son année de naissance et son pays d'origine.
  • Une personne est identifiée par son nom et son prénom.
  • Un abonné (d’une bibliothèque) est une personne :

 il a donc un nom, un prénom, une année de naissance et un pays d'origine,

 son nom et son prénom l'identifient.

  • Un abonné a de plus un numéro de carte. abonné isa personne

no_carte nom prénom an pays

Type d’association isa (3)

  • Un auteur et un directeur de bibliothèque sont des personnes.

auteur directeur personne isa

Jacques Le Maitre BD et SGBD 50

Généralisation vs rôle Personne isa personne diriger bibliothèque directeur directeur diriger bibliothèque

Modèle relationnel

Introduction

 Proposé par E.F. Codd d’IBM en 1969, le modèle relationnel a fait l’objet d’un grand nombre de travaux de recherche qui, depuis le début des années 1980, ont débouché sur des produits commerciaux ou libres :

 DB2 d’IBM, Oracle, Sybase, Access ou SQL-Server de Microsoft, PostgreSQL, MySQL...

 Le succès du modèle relationnel est dû à :

 sa simplicité pour l’utilisateur : une BD est vue comme un ensemble de tables,

 ses fondements théoriques : l’algèbre relationnelle et la logique des prédicats.

Jacques Le Maitre BD et SGBD 53

Constitution d’une BD relationnelle

 Une BD relationnelle est constituée par :

 un ensemble de domaines,

 un ensemble de relations,

 un ensemble de contraintes d’intégrité.

Jacques Le Maitre BD et SGBD 54

Domaines

 Un domaine est un ensemble de valeurs atomiques.

 On distingue :

 les domaines prédéfinis :

 l’ensemble des chaînes de caractères (texte),

 l’ensemble des nombres entiers (entier),

 l’ensemble des booléens :

 booléen = {vrai, faux}

 l’ensemble des dates

 les domaines définis :

 en extension, c.-à-d. en énumérant les valeurs :

 couleur = {"rouge", "vert", "bleu", "jaune"}

 en intention, c.-à-d. en spécifiant la formule que doit vérifier chaque valeur :

 mois = {m| m  entier  1 ≤ m ≤ 12}

Relations

 Une relation R est un sous-ensemble du produit cartésien de n domaines D1

, … , Dn

:

 R  D1  …  Dn

 Une relation est définie par son nom, par son schéma et par son extension.

Schéma d’une relation (1)

 Le schéma d’une relation définit les domaines sur lesquels elle est construite et donne un nom à ces domaines.

 Nous noterons :

 (A1

: D1

, …, An

: Dn

) le schéma d’une relation où

 Di est un nom de domaine,

 Ai est un nom d’attribut qui indique le rôle du domaine Di dans la relation.

 Les noms d'attributs d'un même schéma doivent être tous différents.

 Par exemple :

 (nom: texte, âge: entier, marié: booléen) est le schéma d’une relation :

 construite sur les domaines texte, entier et booléen,

 qui peut représenter un ensemble de personnes décrites respectivement par leur nom, leur âge et leur état civil (marié ou non marié).

Schéma d’une relation (2)

 Il est souvent pratique de noter à la fois le nom d’une relation et son schéma. La notation :

 R(A1

: D1

, …, An

: Dn

)

désignera une relation :

 de nom R,

 et de schéma (A1

: D1

, …, An

: Dn

).

 Lorsque l’indication des domaines n’est pas requise, un schéma de relation pourra être noté :

 (A1

, …, An

)

Extension d’une relation

 L’extension d’une relation de schéma :

 (A1

: D1

, …, An

: Dn

)

est un ensemble de nuplets notés :

 soit (v1



, … , vn

) (dans l’ordre du schéma),

 soit {A1 = v1

, … , An = vn

} (dans un ordre quelconque). et tels que :

 v1  D1

, …, vn  Dn

 L’extension d’une relation est variable au cours de la vie d’une BD.

 Par exemple, une extension possible de la relation de schéma :

 (nom: texte, age: entier, marié: booléen) est :

 {("Dupont", 36, vrai), ("Durand", 22, faux)}

{

("Dupont", 36, "oui"),

("Durand", 22, "non")

}

Vision prédicative

 A toute relation de schéma :

 R(A1

: D1

, …, An

: Dn

)

il peut être associé un prédicat R tel que l’assertion R t est vraie si le n-uplet t appartient à l’extension de R et fausse sinon.

 Par exemple, pour l’extension considérée, l’assertion :

 personne("Dupont", 36, vrai) est vraie.

Valeurs nulles

 Il peut arriver que certaines informations soient inconnues ou non pertinentes.

 Par exemple, une conférence dont la date n’est pas encore fixée ou bien le nombre de couleurs pour un écran noir et blanc.

 Pour représenter une telle absence d’information on utilise une valeur particulière :

 la valeur nulle que nous noterons _.

 Par exemple, le triplet :

 ("L'avenir des bases de données", "Paul Durand", _)

 peut indiquer que la date de la conférence « L’avenir des bases de données » donnée par Paul Durand, n’est pas encore connue.

Constituants d’une relation

 Nous appellerons constituant d’une relation un sousensemble, éventuellement vide, des attributs de cette relation.

 Par exemple, l’ensemble d’attributs {nom, âge} est un constituant de la relation personne.

Jacques Le Maitre BD et SGBD 65

Entités, associations et clés

 Dans le modèle relationnel :

 les entités sont identifiées au travers des clés primaires,

 les associations sont décrites au moyen des clés étrangères.

Clés candidates et clé primaire (1)

 Un constituant X est la clé candidate d’une relation R si :

 pour chaque n-uplet de R, la valeur de X identifie de façon unique ce

n-uplet,

 aucun attribut de X ne peut être supprimé sans détruire la propriété précédente.

 Une relation peut avoir une ou plusieurs clés candidates : l’une est choisie comme clé primaire.

Jacques Le Maitre BD et SGBD 67

Clés candidate et clé primaire (2)

 Soit par exemple, la relation :

 personne(nom, prénom, numss, pays) où numss est le numéro de sécurité sociale.

 Si une personne est identifiée :

 soit par son nom et son prénom (et donc qu’elle ne l’est pas par son nom seul ou son prénom seul),

 soit par son numéro de sécurité sociale, les clés candidates de la relation personne sont :

 {nom, prénom}

 numss

 numss pourra être choisi comme clé primaire.

 Par convention, dans le schéma d’une relation, on souligne les attributs de la clé primaire :

 personne(nom, prénom, numss, pays)

Clés étrangères (1)

 Un constituant Y d’une relation R1 est une clé étrangère de R1 s’il existe une relation R2 possédant une clé primaire X et que Y a pour domaine l’ensemble des valeurs de X.

 On dit que Y réfère la relation R2.

Clés étrangères (2)

 Soit par exemple les relations :

 personne(nom, prénom, âge)

 livre(cote, titre, nom_auteur, prénom_auteur)

 Pour indiquer que l’auteur d’un livre est une personne de la BD, on déclare que le constituant :

 {nom_auteur, prénom_auteur} est une clé étrangère de la relation livre qui réfère la relation personne.

Contraintes d’intégrité (1)

 Les contraintes d’intégrité d’une BD relationnelle peuvent s’exprimer par :

 l’appartenance des valeurs d’attributs à des domaines,

 la définition des clés,

 la normalisation des relations,

 un ensemble d’assertions,

 des conditions associées aux opérations de mise à jour.

Jacques Le Maitre BD et SGBD 71

Contraintes d’intégrité (2)

 Concernant les clés, deux formes d’intégrité jouent un rôle important :

 L’intégrité d’entité qui est vérifiée si les valeurs des attributs de la clé primaire ne sont pas nulles.

 L’intégrité référentielle qui est vérifiée si chaque valeur d’une clé étrangère Y :

 soit existe comme valeur de la clé primaire d’un n-uplet de la relation que Y réfère,

 soit est nulle.

Exemple : la BD plus8000

 Cette BD concerne les premières ascensions des 14 sommets de plus de 8000 m.

 Nous l’appellerons : plus8000.

Quelques photos !

Broad Peak, 8047 m (auteur : Kogo)

Nanga Parbat, 8126 m (auteur : Adam Jacob Muller)  (auteur : Pavel Novak) (photos extraites de Wikimedia Commons)

Les faits (1)

 On veut représenter les faits suivants :

 Le nom, l’altitude, l’année de la 1ère ascension de chaque sommet et l’orientation de la face (ou de l’arête) empruntée. Un sommet est identifié par son nom.

 La localisation d’un sommet, c’est à dire le nom du ou des pays dans lequel il se trouve. Un sommet peut se trouver dans plusieurs pays quand il appartient à la frontière de chacun de ces pays.

 Le nom, le prénom et le pays de chaque grimpeur ayant réalisé la 1ère ascension d’un sommet de plus 8000 m. Un grimpeur est identifié par son nom et son prénom.

 Le nom et le prénom du grimpeur et le nom du sommet gravi pour chaque 1ère ascension.

Les faits (2)

 Par exemple :

 L’Everest a une altitude de 8848m, sa 1ère ascension a été réalisée par son arête SE, en 1953.

 L’Everest est situé sur la frontière du Népal et de la Chine (Tibet).

 Edmund Hillary est un grimpeur de Nouvelle-Zélande.

 Tenzing Norgay est un grimpeur du Népal.

 Edmund Hillary a réalisé la 1ère ascension de l’Everest.

 Tenzing Norgay a réalisé la 1ère ascension de l’Everest.


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