点集直径和旋转卡壳

本文介绍了如何使用旋转卡壳算法解决点集中最大距离的问题,该算法在处理凸包相关问题时非常有效。通过找到对钟点(被卡壳卡住的点),确保点集的直径存在于某对对钟点之间。文章详细阐述了如何确定对钟点,利用边与点构成的面积最大来寻找,并讨论了算法的优化方法,降低了从O(n^2)到更优的时间复杂度。同时提醒在应用旋转卡壳时需要注意避免三点共线的情况。

先上题目:
POJ 2187 http://poj.org/problem?id=2187
洛谷 1452 https://www.luogu.org/problem/show?pid=1452

是一道题目,后者为前者的中文版。

这两道题目都要求需要求出点集中的最大距离,暴力枚举的方法是O(n^2),效率过低,其实有一个小优化,因为一个明显的现象,点集的直径,一定是两个点集的凸包的边上的点,所以可以只需枚举凸包上的点即可,但如果造一组10000个点全在凸包上,那么这个优化也就没啥用了。

这里用一种新的方法来解决这个问题——旋转卡壳。
注意发音哦: xuan2 zhuan4 qia3 ke2

旋转卡壳是解决一些与凸包有关问题的有效算法,就像两条平行直线(好像这就叫卡壳)紧紧地卡住凸包,然后求的方法就是进行旋转,就这样而得名了……

预备知识:
对锺(zhong3)点
刚好被卡壳卡住(过其点),把整个凸包夹在中间的点,那么有这样一个现象:

最远点对只会在对锺点对中取得,即点集的直径一定是某对对锺点的距离。

那么现在就要求出对锺点,注意,肯定不止一对。

再注意,接下来的所有卡壳情况,都为卡住一个点和一条边(两点过于麻烦,两边其实并不是最优的,再旋转就成了两点)。

先上张图:
这里写图片描述
其中对应的就是边AB以及点C联合卡住凸包的情况,此时做出C关于BC的垂线段,会发现C的垂线段长度比其他的凸包上的点都长,或者换个角度,C与AB所构成的三角形是面积最大的(同底的三角形,高越大,三角形面积越大),这样求对锺点的方法就成了求边与点构成的面积的最大大。
再来:

### 旋转卡壳算法的工作机制 旋转卡壳(Rotating Calipers)是一种用于解决几何问题的有效算法,尤其适用于凸包上的操作。其核心思想是利用一对平行线夹住凸包,并通过不断调整这两条直线的方向来遍历整个凸包的边界[^1]。 #### 几何背景 该算法基于这样一个事实:对于任意给定的一组 \( P \),如果已经计算出了这些的凸包,则可以通过一组特定方向的平行线唯一定义凸包的最大宽度或直径。这种技术可以用来高效求解诸如凸包直径、最小包围矩形面积等问题[^1]。 #### 数学原理 设凸包上有两个顶 \( A_i, B_j \) 分别位于两条相互垂直的切线上,则当其中一条切线沿顺时针方向旋转一个小角度时,另一条也会相应移动至新的位置以保持与凸包相切的关系。这一过程中涉及的关键运算包括向量叉积以及极角排序等基础几何工具[^1]。 具体而言,在实现中通常会采用如下步骤: 1. 预处理阶段先构建目标合对应的凸包; 2. 初始化两指针分别指向初始状态下满足条件的一对反向最远端; 3. 迭代更新这两个索引直到完成一轮完整的扫描周期为止;在此期间记录下每次遇到更优解的情况作为最终结果的一部分输出即可。 ```python def rotating_calipers(hull): n = len(hull) if n < 2: return None # Initialize the first pair of points (i,j). i, j = 0, find_farthest_point_from_line(hull[0], hull) max_distance = distance_between_points(hull[i], hull[j]) while True: next_i = (i + 1) % n next_j = (j + 1) % n cross_product = calculate_cross_product( vector_subtract(hull[next_i], hull[i]), vector_subtract(hull[next_j], hull[j])) if cross_product >= 0: current_max = distance_between_points(hull[i], hull[next_j]) if current_max > max_distance: max_distance = current_max j = next_j else: current_max = distance_between_points(hull[next_i], hull[j]) if current_max > max_distance: max_distance = current_max i = next_i if (i == 0 and j == find_farthest_point_from_line(hull[0], hull)): break return max_distance ``` 以上代码片段展示了如何应用旋转卡壳方法寻找二维平面上由若干离散构成之凸包内的最大距离——即所谓“凸包直径”。 ###
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