矢量&凸包学习笔记
矢量&凸包学习笔记
矢量
矢量（向量）的定义和表示法
定义：一条有方向的线段。
表示：如下图。
那么我们把这一条矢量写作：\(\overrightarrow{AB}\)，它的长度为\(a\)，记作\(\left|\overrightarrow{AB}\right|\)。
矢量的运算
矢量的加减遵循三角形法则。
加：
根据三角形法则，\(\left|\overrightarrow{AC}\right|=\left|\overrightarrow{AB}\right|+\left|\overrightarrow{BC}\right|=a+b\) 。
减：
\(\because \left|\overrightarrow{BC}\right|=b\)
\(\therefore \left|\overrightarrow{CB}\right|(\left|\overleftarrow{BC}\right|)=-b\)
\(\therefore \left|\overrightarrow{BC'}\right|=-b\)
\(\therefore \left|\overrightarrow{AC'}\right|=\left|\overrightarrow{AB}\right|+\left|\overrightarrow{BC'}\right|=a+(-b)=a-b\)（三角形加法法则）
矢量的乘法遵循平行四边形法则。
如图，以矢量\(\overrightarrow{OP}\)、\(\overrightarrow{OQ}\)为邻边作平行四边形\(OPRQ\)。
根据三角形法则，可得\(\left|\overrightarrow{OR}\right|=a+b\)。
我们不妨设\(P\)就为\(\overrightarrow{OP}\)，\(Q\)就为\(\overrightarrow{OQ}\)。
则定义\(P \times Q\)（\(P\)叉乘\(Q\)（不是点乘（\(\bullet\)）））为：
当\(O\)为坐标原点时，也可以表示为：
由此也可得\(P\times Q=-(Q\times P)\)。
同时可以通过\(P\times Q\)的值的正负求出\(P\)、\(Q\)的对应位置。
- 当\(P\times Q>0\)时，\(P\)在\(Q\)的顺时针方向。
- 当\(P\times Q<0\)时，\(P\)在\(Q\)的逆时针方向。
- 当\(P\times Q=0\)时，\(\overrightarrow{OP}\)与\(\overrightarrow{OQ}\)共线。
凸包
1.模板
例题：P2742 【模板】二维凸包 / [USACO5.1]圈奶牛Fencing the Cows
题意：给一些点，求凸包周长。
做法：\(Graham\)：
先通过\(sort\)求出平面中最左下的点，然后以它为原点对其它点做极角排序，然后按极角从小到大依次插入一个\(stack\)中，每一次插入前看是否满足\(stack\)中的点和插入后的点是一个凸多边形：如是，就插入；否则一直\(pop\)直到满足条件为止。
最后\(stack\)中的点就是凸包的顶点。
那么如何判断\(stack\)中的点和插入后的点是否是一个凸多边形呢：
当\(cross(st[top-1],st[top],a[i])>0\)时，根据右手法则，意味着由\(st[i-1]\)、\(st[i]\)、\(a[i]\)组成的图形是这样的：
而当\(cross(st[top-1],st[top],a[i])<=0\)时，那么根据右手法则，意味着由\(st[i-1]\)、\(st[i]\)、\(a[i]\)组成的图形是这样的：
代码如下：
#include<bits/stdc++.h>
#define N 10010
using namespace std;
struct Point
{
double x,y;
}a[N],st[N];
int n,top;
double ans;
double cross(Point a,Point b,Point c)//cross(a,b,c)为以a为原点的b、c的叉乘
{
return (b.x-a.x)*(c.y-a.y)-(c.x-a.x)*(b.y-a.y);
}
double dis(Point a,Point b)//两点间距离
{
return sqrt((a.x-b.x)*(a.x-b.x)+(a.y-b.y)*(a.y-b.y));
}
bool cmp(Point p,Point q)//极角排序（根据右手法则）
{
double m=cross(a[1],p,q);
if(m<0)return false;
if(m>0)return true;
return dis(a[1],p)<=dis(a[1],q);
}
int main()
{
scanf("%d",&n);//点数
for(int i=1;i<=n;i++)
{
scanf("%lf%lf",&a[i].x,&a[i].y);
if(i!=1&&a[i].y<a[1].y||(a[i].y==a[1].y&&a[i].x<a[1].x))swap(a[1],a[i]);//这样可以不用sort快速找到所有点中最左下角的点
}
sort(a+2,a+n+1,cmp);//除了最左下角的那个点a[1]，其它点以a[1]为原点进行极角排序
st[++top]=a[1];//将a[1]入栈
for(int i=2;i<=n;i++)
{
while(top>1&&cross(st[top-1],st[top],a[i])<=0)top--;//按上面说的判断是否为凸多边形
st[++top]=a[i];
}
for(int i=2;i<=top;i++)ans+=dis(st[i-1],st[i]);
ans+=dis(st[top],st[1]);
printf("%.2lf\n",ans);
return 0;
}
2.面积
例题：poj3348 cows
题意：给一些点，求凸包的面积除以\(50\)。
做法：我们可以先把一个凸包分割一下：
那么凸包面积就为所示所有三角形之和。
而每个三角形的面积即以三角形的两条绿线（在边界状态下，有1条绿线为黑线）为邻边的平行四边形的面积的一半。
即\(cross(st[1],st[i],st[i+1])/2.0\)。（平行四边形法则）
代码如下：
#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<algorithm>
#include<cmath>
#define N 10010
using namespace std;
struct Point
{
int x,y;
}p[N],st[N];
int n,top;
double ans;
int cross(Point a,Point b,Point c)
{
return (b.x-a.x)*(c.y-a.y)-(c.x-a.x)*(b.y-a.y);
}
double dis(Point a,Point b)
{
return sqrt((double)((a.x-b.x)*(a.x-b.x)+(a.y-b.y)*(a.y-b.y)));
}
bool cmp(Point a,Point b)
{
int m=cross(p[1],a,b);
if(m>0)return true;
if(m<0)return false;
return dis(p[1],a)<dis(p[1],b);
}
void graham()//求凸包
{
for(int i=2;i<=n;i++)
if(p[i].y<p[1].y||(p[i].y==p[1].y&&p[i].x<p[1].x))swap(p[1],p[i]);
sort(p+2,p+n+1,cmp);
st[++top]=p[1],st[++top]=p[2];
for(int i=3;i<=n;i++)
{
while(top>1&&cross(st[top-1],st[top],p[i])<=0)top--;
st[++top]=p[i];
}
}
int main()
{
scanf("%d",&n);
for(int i=1;i<=n;i++)
scanf("%d%d",&p[i].x,&p[i].y);
graham();
for(int i=1;i<top;i++)
ans+=(double)cross(p[1],st[i],st[i+1])/2.0;//记得除以2
printf("%d\n",(int)((double)ans/50.0));
return 0;
}
3.隐秘的凸包
题意：自己看题
做法：我们自己画一下图，就可以发现最小长度总是凸包周长+一个半径为\(L\)的圆的周长。
具体证明：
以凸包为\(6\)边形为例：
如图，我们以每条边作长为边长，宽为\(L\)的矩形。
则红线部分就是所求答案。
对于\(A''B'+B''C'+C''D'+D''E'+E''F'+F''A'\),我们可以知道它就是\(AB+BC+CD+DE+EF+FA\)，即凸包周长。
而对于剩下的几段圆弧，我们先经倒角后发现\(\angle1+\angle2+\angle3+\angle4+\angle5+\angle6=360^{\operatorname{\omicron}}\)。
那么\(\overset{\frown}{A'A''}+\overset{\frown}{B'B''}+\overset{\frown}{C'C''}+\overset{\frown}{D'D''}+\overset{\frown}{E'E''}+\overset{\frown}{F'F''}=C=2\pi r=2\times acos(-1)\times L\)
对于\(n\)边形凸包也是如此。
代码如下：
#include<bits/stdc++.h>
#define N 10010
using namespace std;
struct Point
{
double x,y;
}a[N],st[N];
int n,top;
double ans,l;
double cross(Point a,Point b,Point c)
{
return (b.x-a.x)*(c.y-a.y)-(c.x-a.x)*(b.y-a.y);
}
double dis(Point a,Point b)
{
return sqrt((a.x-b.x)*(a.x-b.x)+(a.y-b.y)*(a.y-b.y));
}
bool cmp(Point p,Point q)
{
double m=cross(a[1],p,q);
if(m<0)return false;
if(m>0)return true;
return dis(a[1],p)<=dis(a[1],q);
}
int main()
{
scanf("%d%lf",&n,&l);
for(int i=1;i<=n;i++)
{
scanf("%lf%lf",&a[i].x,&a[i].y);
if(i!=1&&a[i].y<a[1].y)swap(a[1],a[i]);
}
sort(a+2,a+n+1,cmp);
st[++top]=a[1];
for(int i=2;i<=n;i++)
{
while(top>1&&cross(st[top-1],st[top],a[i])<=0)top--;
st[++top]=a[i];
}
for(int i=2;i<=top;i++)ans+=dis(st[i-1],st[i]);
ans+=dis(st[top],st[1]);
//到此为止，已经把凸包的周长给算出来了。
ans+=2*(acos(-1))*l;//再加上一个圆周长（C=2πr，acos(-1)=π）
printf("%.0lf\n",ans);
return 0;
}
4.练习
poj2007 Scrambled Polygon 模板，极角排序
P3829 [SHOI2012]信用卡凸包 总长=所有圆心的凸包周长+一个圆周长
poj1228 Grandpa's Estate 稳定凸包。如果每边3点共线，说明凸包稳定，否则不稳定。
P1742 最小圆覆盖/P2533 [AHOI2012]信号塔 最小圆覆盖：随机增量法
