要解決該問題,我們首先證明一個結論:三個點a、b、c,若xa < xb < xc則斜率最大者必定是ab或者是bc,而不會是ac。證明如下:
我們用k表示斜率,
不妨假設kac > kab,即(yc - ya)/(xc - xa) - (yb - ya)/(xb - xa) > 0
則可以推出xa * yb + xb * yc + xc * ya > xa * yc + xb * ya + xc * yb
那么可以得出kbc - kac = (yc - yb)/(xc - xb) - (yc - ya)/(xc - xa) = (xa * yb + xb * yc + xc * ya) - (xa * yc + xb * ya + xc * yb) > 0
所以可以知道如果ac斜率大于ab,那么它就不可能大于bc
同理可以得出若ac斜率大于bc,那么它就不可能大于ab
證畢。
有了上面的證明,我們就可以先對N個點的橫坐標排序,然后再計算a[i]與a[i + 1]的斜率,取最大值即可。
代碼略。
問題二:求N個點中距離最遠的兩點距離。
典型的求凸包直徑問題,這里先講解一下如何利用Graham scanning方法在O(nlogn)時間內求凸包,然后利用旋轉卡殼法在O(n)時間內求凸包直徑。
該問題面試中一般不會問到,太過復雜,不過應該學習這種思想。
1)Graham scanning求凸包:
首先:選取N個點中y坐標最小的點為P0,若有多個點y坐標相同,則取x坐標最小的點為P0,即P0為坐標系中左下角的點。
然后:根據direction(P0, Pi, Pj)來排序,direction()函數是求P0Pi向量和P0Pj向量的叉積,叉積的作用是判定P0Pi向量在P0Pj向量的逆時針方向還是順時針方向,如果P0Pi X P0Pj > 0則說明P0Pi在P0Pj的順時針方向,否則在逆時針方向。另外叉積的值的絕對值還表示以P0PiPj三點組成的三角形的面積,因為P0Pi X P0Pj = |P0Pi| * |P0Pj| * sin∠PiP0Pj,這個結論會在卡殼時用到。有了上面的知識,可以知道排序后的結果是所有節點圍繞P0以逆時針方向排列。
再次:將點P0和點P1入棧,然后從P2到Pn循環執行下面操作:若direction(Pstack[top - 1], Pstack[top], Pi) < 0,則刪除棧頂元素,即top--(因為排序的時候,如果兩個節點對P0的向量叉積若相等,則距離P0遠的節點排在后面,所以這里如果上述等式等于0的話則可以肯定Pi到Pstack[top - 1]的距離比Pstack[top]到Pstack[top - 1]的距離遠,所以可以直接將Pstack[top]出棧,當然也可以不出棧,因為某個在凸包多邊形的某條邊上的點,可以算作凸包的點,也可以去掉),否則Pi進棧。直到Pn判斷完畢。
最后:棧stack中的所有點就是凸包多邊形的點,并且從棧底到棧頂以逆時針排列。
上面算法表述的比較羅嗦,看下面的圖示就明白了:
首先是排序,然后是P0和P1入棧:

然后是判斷P2是否應該入棧:

因為P0P1 X P0P2 > 0,所以P2入棧:

然后判斷P3是否應該入棧:

因為P1P2 X P1P3 < 0,所以P2出棧P3入棧:

判斷P4是否應該入棧:

因為P1P3 X P1P4 > 0,所以P4入棧:

判斷P5是否應該入棧:

因為P3P4 X P3P5 > 0,所以P5入棧:

判斷P6是否應該入棧:

因為P4P5 X P4P6 < 0,所以p5出棧P6入棧:

最后p7入棧,形成最終的凸包:

通過以上圖示過程可以清晰明白凸包的構建過程。證明過程比較復雜,詳見《算法導論》。


