几何问题

几何问题集合

   几何问题可以采用在二维坐标系中建系,通过向量和点之间的运算求解。

  

极坐标:
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这里的atan2(y,x)atan2(y,x) 是考虑过区间后的反三角函数 。c标准库中有同名的函数 直接求极角,返回值的单位是弧度,调用实例:

atan2(y,x)//renturn theta

现假定向量a(xa,yb),b(xb,yb)a(xa,yb),b(xb,yb)

1.点积

dot(a,b)=xaxb+yaybdot(a,b)=xa∗xb+ya∗yb

利用点积计算向量长度:

lenth(a)=dot(a,a)lenth(a)=dot(a,a)

计算向量间夹角:

angle(a,b)=arccos[dot(a,b)/lenth(a)/lenth(b)]angle(a,b)=arccos[dot(a,b)/lenth(a)/lenth(b)]

这里的arccos在c标准库中有函数acos()。

2.叉积

定义:两个向量的叉积等于两个向量组成的三角形的有向面积的两倍。

cross(a,b)=xaybyaxbcross(a,b)=xa∗yb−ya∗xb

利用叉积求三点围成的三角形面积:这里三点是A,B,CA,B,C

area2(A,B,C)=cross(BA,CA)area2(A,B,C)=cross(B−A,C−A)

利用点积和叉积的正负性和是否为0可以判断两个向量的位置关系。假定vv 是水平向右的向量。w 向量的位置和两个向量的位置关系如下:

图片

3.旋转向量(求向量的法线)

rotate(a,rad)={axcos(rad)aysin(rad),axsin(rad)+aycos(rad)}rotate(a,rad)={ax∗cos(rad)−ay∗sin(rad),ax∗sin(rad)+ay∗cos(rad)}

求单位法线(左旋转90°,归一化)

normal(a)={ay/length(a),ax/length(a)}normal(a)={−ay/length(a),ax/length(a)}

#include <cmath>
#include <stdio.h>
#include <iostream>

using namespace std;
struct Point{
    double x,y;
    Point(double x,double y):x(x),y(y){}
    Point(){}
};
typedef Point Vector;
Point operator+(Point a,Point b){return Point(a.x+b.x,a.y+b.y);}
Point operator-(Point a,Point b){return Point(a.x-b.x,a.y-b.y);}
Point operator*(Point a,double D){return Point(a.x*D,a.y*D);}
Point operator/(Point a,double D){return Point(a.x/D,a.y/D);}
bool operator<(Point a,Point b){return (a.x==b.x)?a.x<b.x:a.y<b.y;}
const double eps=1e-10;
int dcmp(double x){if(fabs(x)<eps) return 0; else return x<0?-1:1;}
bool operator==(const Point& a,const Point& b){return dcmp(a.x-b.x)==0&&dcmp(a.y-b.y)==0;}
/*
 dot        向量间的点积
 length     向量的模
 angle      向量间的夹角弧度
 cross      向量间的叉积
 area2      三点围成三角形有向面积的两倍
 rotate     向量绕起点逆时针旋转一定弧度后的向量
 normal     求向量的单位法线
*/
double dot(Vector a,Vector b){return a.x*b.x+a.y*b.y;}
double length(Vector a){return sqrt(dot(a,a));}
double angle(Vector a,Vector b){return acos( dot(a,b)/length(a)/length(b) );}
double cross(Vector a,Vector b){return a.x*b.y-a.y*b.x;}
double area2(Point A,Point B,Point C){return cross(B-A,C-A);}
Vector rotate(Vector a,double rad){
  return Vector(a.x*cos(rad)-a.y*sin(rad),a.x*sin(rad)+a.y*cos(rad));
}
Vector normal(Vector a){double l=length(a);return Vector(-a.y/l,a.x/l);}

4点和直线

直线用一个直线上的点和一个方向向量表示,如直线过点A,B,那么直线上每一点可以用X=A+(B-A)t表示。X是代表一个点变量X=(x,y)。

那么在参数表示下的直线交点的求法如下:

定直线X=P+tv,Y=Q+twX=P+tv,Y=Q+twP=(xp,yp),v=(xv,yv),Q=(xq,yq),w=(xw,yw)P=(xp,yp),v=(xv,yv),Q=(xq,yq),w=(xw,yw)那么交点为C。

u=PQu=P−Q

xp+t1xv=xq+t2x+xwxp+t1xv=xq+t2x+xw

yp+t1tv=yq+t2ywyp+t1tv=yq+t2yw

>t1=xq+t2xwxpxv−>t1=xq+t2xw−xpxv

带入消去得到

t2=xv(ypyq)yv(xpxq)xvywxwyv=v×uv×wt2=xv(yp−yq)−yv(xp−xq)xvyw−xwyv=v×uv×w

t1=xwypyq)yw(xpxq)xvywxwyv=w×uv×wt1=xwyp−yq)−yw(xp−xq)xvyw−xwyv=w×uv×w

点到直线的距离:

用叉积计算,平行四边形面积除以底。

图片

h=(BA)×(CA)|BA|h=(B−A)×(C−A)|B−A|
/*
 直线的参数表示用一个点和一个向量表示A+(B-A)t
 getIntersection        求两个直线的交点
 distanceToLine         求点到直线的距离
 distanceToSegment      求点到线段的距离
 segmentProperInersection 判断线段是否规范相交
 onSegment              判断一个点是否在一条线段上
 getLineProjectction    求点在直线上的投影

*/
Point getIntersection(Point P,Vector v,Point Q,Vector w)
{
    Vector u=P-Q;
    double t=cross(w,u)/cross(v,w);
    return P+v*t;
}

double distanceToLine(Point P,Point A,Point B)
{
    Vector v1=B-A,v2=P-A;
    return fabs(cross(v1,v2))/length(v1);
}
double distanceToSegment(Point P,Point A,Point B)
{
    if(A==B) return length(P-A);
    Vector v1=B-A,v2=P-A,v3=P-B;
    if(dcmp(dot(v1,v2))<0) return length(v2);
    else if(dcmp(dot(v1,v3))>0) return length(v3);
    else return fabs(cross(v1,v2))/length(v1);
}
bool segmentProperInersection(Point a1,Point a2,Point b1,Point b2)
{
    double c1=cross(a2-a1,b1-a1),c2=cross(a2-a1,b2-a1),
    c3=cross(b2-b1,a1-b1),c4=cross(b2-b1,a2-b1);
    return dcmp(c1)*dcmp(c2)<0&&dcmp(c3)*dcmp(c4)<0;
}

bool onSegment(Point P,Point a1,Point a2)
{
    return dcmp(cross(a1-p,a2-ps))==0&&dcmp(dot(a1-p,a2-p))<0;
}
Point getLineProjectction(Point P,Point A,Point B)
{
    Vector v=B-A;
    return A+v*(dot(v,P-A)/dot(v,v));
}
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