用分治算法解决“最近点对”(Closest Pair of Points)问题
在平面上有一些点,现在的任务是找出一对(俩个点)点,使这两个点的距离是所有点对中最小的。在解决实际问题的时候这个问题经常被用到,比如空中交通管制,你或许想找到连个飞机是不是离得太近,以免发生碰撞。用p和q代表两个点(想象成飞机也行)。
上面的式子就是计算p和q之间的距离的。下标x代表水平坐标,小标y代表竖直坐标。
我们当然可以暴力破解求出所有点之间的距离,比较值得出结果。可是这样复杂度为O(n^2)。惊人。我们可以用分支策略,使时间复杂度降到O(nlogn)。
下面设计一个分治算法.
输入:n个点组成的数组P
输出:数组元素之间距离的最小值
建设元素已经按x左边排好序了。
1)找到中间那个元素P[n/2]那个点作为中间点
2)数组按中见到分为左边和右边两个子数组,数组元素分别是P[0]到P[n/2]和P[n/2+1]到P[n-1]。
3)递归求解两个子数组的最小值dl和dr。去两者最小值为d。
4)还应考虑到一种情况是最小距离的两个点跨过中间线,也就是说这对点一个在左边数组中,另外一个在右边数组中。我们在中间点的x坐标处画一条竖直线,将所有x坐标到竖直线的距离小于d的点“收集"起来,用他们组成一个strip[]数组。如下图:
5)将strip[]数组按y坐标排序。一般的排序使用的是qsort,快速排序。时间复杂度是nlogn。
6)找出strip[]数组元素间距离最小值。这里我们用两个循环(循环嵌套)暴力破解的办法求解。这种方法求解strip[]数组,乍看起来时间复杂度是O(n^2),其实只有O(n)。因为内循环最多只会检查7个点。详细解释看这里
7)比较6中求出的最小值和d的值,返回最小值。
#include <stdio.h> #include <float.h> #include <stdlib.h> #include <math.h> struct Point { int x, y; }; // 按x坐标排序 int compareX(const void* a, const void* b) { Point *p1 = (Point *)a, *p2 = (Point *)b; return (p1->x - p2->x); } // 按y坐标排序 int compareY(const void* a, const void* b) { Point *p1 = (Point *)a, *p2 = (Point *)b; return (p1->y - p2->y); } float dist(Point p1, Point p2) { return sqrt( (p1.x - p2.x)*(p1.x - p2.x) + (p1.y - p2.y)*(p1.y - p2.y) ); } float bruteForce(Point P[], int n) { float min = FLT_MAX; for (int i = 0; i < n; ++i) for (int j = i+1; j < n; ++j) if (dist(P[i], P[j]) < min) min = dist(P[i], P[j]); return min; } float min(float x, float y) { return (x < y)? x : y; } float stripClosest(Point strip[], int size, float d) { float min = d; // Initialize the minimum distance as d qsort(strip, size, sizeof(Point), compareY); for (int i = 0; i < size; ++i) for (int j = i+1; j < size && (strip[j].y - strip[i].y) < min; ++j) if (dist(strip[i],strip[j]) < min) min = dist(strip[i], strip[j]); return min; } float closestUtil(Point P[], int n) { // If there are 2 or 3 points, then use brute force if (n <= 3) return bruteForce(P, n); // Find the middle point int mid = n/2; Point midPoint = P[mid]; // Consider the vertical line passing through the middle point // calculate the smallest distance dl on left of middle point and // dr on right side float dl = closestUtil(P, mid); float dr = closestUtil(P + mid, n-mid); // Find the smaller of two distances float d = min(dl, dr); // Build an array strip[] that contains points close (closer than d) // to the line passing through the middle point Point strip[n]; int j = 0; for (int i = 0; i < n; i++) if (abs(P[i].x - midPoint.x) < d) strip[j] = P[i], j++; // Find the closest points in strip. Return the minimum of d and closest // distance is strip[] return min(d, stripClosest(strip, j, d) ); } // The main functin that finds the smallest distance // This method mainly uses closestUtil() float closest(Point P[], int n) { qsort(P, n, sizeof(Point), compareX); // Use recursive function closestUtil() to find the smallest distance return closestUtil(P, n); } // Driver program to test above functions int main() { Point P[] = {{2, 3}, {12, 30}, {40, 50}, {5, 1}, {12, 10}, {3, 4}}; int n = sizeof(P) / sizeof(P[0]); printf("The smallest distance is %f ", closest(P, n)); return 0; }