分治法最近點對問題
一種簡單的想法是暴力列舉每兩個點,記錄最小距離,顯然,時間複雜度為O(n^2)。
在這裡介紹一種時間複雜度為O(nlognlogn)的演算法。其實,這裡用到了分治的思想。將所給平面上n個點的集合S分成兩個子集S1和S2,每個子集中約有n/2個點。然後在每個子集中遞迴地求最接近的點對。在這裡,一個關鍵的問題是如何實現分治法中的合併步驟,即由S1和S2的最接近點對,如何求得原集合S中的最接近點對。如果這兩個點分別在S1和S2中,問題就變得複雜了。
為了使問題變得簡單,首先考慮一維的情形。此時,S中的n個點退化為x軸上的n個實數x1,x2,...,xn。最接近點對即為這n個實數中相差最小的兩個實數。顯然可以先將點排好序,然後線性掃描就可以了。但我們為了便於推廣到二維的情形,嘗試用分治法解決這個問題。
假設我們用m點將S分為S1和S2兩個集合,這樣一來,對於所有的p(S1中的點)和q(S2中的點),有p<q。
遞迴地在S1和S2上找出其最接近點對{p1,p2}和{q1,q2},並設
d = min{ |p1-p2| , |q1-q2| }
由此易知,S中最接近點對或者是{p1,p2},或者是{q1,q2},或者是某個{q3,p3},如下圖所示。
如果最接近點對是{q3,p3},即|p3-q3|<d,則p3和q3兩者與m的距離都不超過d,且在區間(m-d,d]和(d,m+d]各有且僅有一個點。這樣,就可以線上性時間內實現合併。
此時,一維情形下的最近點對時間複雜度為O(nlogn)。
在二維情形下,類似的,利用分治法,但是難點在於如何實現線性的合併?
由上圖可見,形成的寬為2d的帶狀區間,最多可能有n個點,合併時間最壞情況下為n^2,。但是,P1和P2中的點具有以下稀疏的性質,對於P1中的任意一點,P2中的點必定落在一個d X 2d的矩形中,且最多隻需檢查六個點(鴿巢原理)。
這樣,先將帶狀區間的點按y座標排序,然後線性掃描,這樣合併的時間複雜度為O(nlogn),幾乎為線性了。
光說不練也不行,經過自己的思考和參考網上的程式,完成了最近點對的程式,並在各OJ上成功AC了。
#include<iostream> #include<cstdio> #include<algorithm> #include<cmath> #include<cstring> using namespace std ; const int maxn = 1000001 ; const int INF = 1000000001 ; struct Point { double x , y ; }point[ maxn ] ; int n ; int temp[ maxn ]; bool cmp(const Point& a , const Point& b ) { if( a.x == b.x ) return a.y < b.y ; else return a.x < b.x ; } bool cmpy( const int& a , const int& b ) { return point[ a ].y < point[ b ].y ; } double min( double a , double b ) { return a < b ? a : b ; } double dist( int i , int j ) { return sqrt( (point[ i ].x - point[ j ].x) * ( point[ i ].x - point[ j ].x ) + ( point[ i ].y - point [ j ].y ) * ( point[ i ].y - point[ j ].y ) ) ; } double merge( int left , int right ) { double d = INF ; if( left == right ) return d ; if( left + 1 == right ) return dist( left , right ) ; int mid = ( left + right ) >> 1 ; double d1 = merge( left , mid ) ; double d2 = merge( mid + 1 , right ) ; d = min( d1 , d2 ) ; int i , j , k = 0 ; for( i = left ; i <= right ; ++i ) { if( fabs( point[ mid ].x - point[ i ].x ) <= d ) temp[ k++ ] = i ; } sort( temp , temp + k , cmpy ) ; for( i = 0 ; i < k ; ++i ) for( j = i + 1 ; j < k && point[ temp[ j ] ].y - point[ temp[ i ] ].y < d ; ++j ) { double d3 = dist( temp[ i ] , temp[ j ] ) ; if( d > d3 ) d = d3 ; } return d ; } int main() { while( scanf( "%d" , &n ) && n ) { for(int i = 0 ; i < n ; ++i ) { scanf( "%lf%lf" , &point[ i ].x , &point[ i ].y ) ; } sort( point , point + n , cmp ) ; printf( "%.2lf\n" , merge( 0 , n - 1 ) / 2 ) ; } return 0 ; }