Divide and Conquer 3 Michael Tsai 2011/3/11.

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1 Divide and Conquer 3 Michael Tsai 2011/3/11

2 Closest Pair of Points 問題: 在𝑛≥2個點中(集合P), 找出一對點其兩點之間的距離為最小. 每個點為一二維座標.
距離: 以Euclidean distance定義. 𝑝 1 = 𝑥 1 , 𝑦 1 𝑝 2 = 𝑥 2 , 𝑦 2 𝑑= 𝑥 1 − 𝑥 𝑦 1 − 𝑦 2 2 Q中可能有一樣的兩點 (則其距離為0) Reference: (Textbook 33.4, p.1039)

3 Closest Pair of Points – 暴力法
算出每一對的距離 𝑛 2 =Θ 𝑛 2

4 Closest Pair of Points – D&C
思考流程: 原本是Θ( 𝑛 2 ), Θ 𝑛 log 𝑛 似乎是個不錯的目標 大刀先拿來砍一砍. 大概會長這樣: 𝑇 𝑛 =2𝑇 𝑛 2 +Θ(??) 可以對P中的點排序嗎? 選擇一: 開始的時候先全部排一次 花Θ 𝑛 log 𝑛 , 跟目標一樣…ok的! 選擇二: 每一次遞迴呼叫都對點排序 那遞迴式至少變成: 𝑇 𝑛 =2𝑇 𝑛 2 +Θ 𝑛 log 𝑛 𝑇 𝑛 =Θ(𝑛 log 2 𝑛 ) (使用課本4.6-2 變形master theorem) not ok!

5 Closest Pair of Points – D&C
𝑇 𝑛 =Θ 𝑛 log 𝑛 (正好是我們要的) Algorithm組成元素: 一開始可以對點先排序 光劍一隻: Divide的時候切成兩份等份 Combine的時候最多可以花Θ(𝑛)的時間

6 Closest Pair of Points – D&C
先想想Recursive case Divide: 劃一條直線l, 把所有的點分成兩部分 𝑃 𝐿 及 𝑃 𝑅 , 使 𝑃 𝐿 = 𝑃 2 and 𝑃 𝑅 = 𝑃 2 , 𝑃 𝐿 中的點都在l上或它的左邊, 𝑃 𝑅 的點都在l上或它的右邊 遞迴呼叫會解決找出 𝑃 𝐿 及 𝑃 𝑅 中的closest pairs, 假設找到的最短距離分別為 𝛿 𝐿 , 𝛿 𝑅 , and 𝛿=min⁡( 𝛿 𝐿 , 𝛿 𝑅 ) Combine: Closest Pair有三種可能: 𝑃 𝐿 或 𝑃 𝑅 中找到的 或者是一個點在 𝑃 𝐿 中, 一個點在 𝑃 𝑅 中的, 而兩點距離小於𝛿

7 Closest Pair of Points – D&C
怎麼找出一點在 𝑃 𝐿 , 一點在 𝑃 𝑅 , 而兩點距離<𝛿 ? 只考慮可能的點: 在2𝛿範圍內的點 line l 𝛿 𝐿 𝛿 𝑅 𝛿 𝛿

8 Closest Pair of Points – D&C
可是combine只能花Θ(𝑛)喔 (不能暴力找每個pair) 關鍵: 2𝛿長條範圍內不需要找每個pair! 構成closest pair的兩點一定在2𝛿×𝛿的長方形內 𝛿 𝛿 𝛿

9 Closest Pair of Points – D&C
2𝛿×𝛿的長方形內最多可以放下8個點 (點和點之間的距離不可以小於𝛿, 否則就矛盾了) 因此對每個在2𝛿長條中的點, 如果照Y排序過後, 只需要檢查它和它後面七個點的距離! Θ(𝑛) 各2個點, 一個在 𝑃 𝐿 , 一個在 𝑃 𝑅 𝛿 𝛿 𝛿

10 Closest Pair of Points – D&C
Base case: 當n≤3時, 則直接用暴力法找出closest pair 最多算三次距離. Θ(1)

11 Closest Pair of Points – D&C
Divide: 劃一條直線l, 把所有的點分成兩部分 𝑃 𝐿 及 𝑃 𝑅 , 使 𝑃 𝐿 = 𝑃 2 and 𝑃 𝑅 = 𝑃 2 , 𝑃 𝐿 中的點都在l的左邊, 𝑃 𝑅 的點都在l上或它的右邊 遞迴呼叫會解決找出 𝑃 𝐿 及 𝑃 𝑅 中的closest pairs, 假設找到的最短距離分別為 𝛿 𝐿 , 𝛿 𝑅 , and 𝛿=min⁡( 𝛿 𝐿 , 𝛿 𝑅 ) Combine: 將在 𝑃 𝐿 及 𝑃 𝑅 中不在直線l的左右𝛿距離內的點去除, 得到 𝑃 𝐿 ′及 𝑃 𝑅 ′. 對於 𝑃 𝐿 及 𝑃 𝑅 中的點, 檢查它和Y座標在它後面的八個點的距離是否小於δ. 若是的話則此為closest pair. 若否的話則遞迴呼叫所得到的𝛿距離的pair為closest pair. Θ(𝑛) 2𝑇( 𝑛 2 ) Θ(𝑛) 𝑇 𝑛 =2𝑇 𝑛 2 +Θ(𝑛)

12 Closest Pair of Points – D&C
Divide: 劃一條直線l, 把所有的點分成兩部分 𝑃 𝐿 及 𝑃 𝑅 , 使 𝑃 𝐿 = 𝑃 2 and 𝑃 𝑅 = 𝑃 2 , 𝑃 𝐿 中的點都在l的左邊, 𝑃 𝑅 的點都在l上或它的右邊 遞迴呼叫會解決找出 𝑃 𝐿 及 𝑃 𝑅 中的closest pairs, 假設找到的最短距離分別為 𝛿 𝐿 , 𝛿 𝑅 , and 𝛿=min⁡( 𝛿 𝐿 , 𝛿 𝑅 ) Combine: 將在 𝑃 𝐿 及 𝑃 𝑅 中不在直線l的左右𝛿距離內的點去除, 得到 𝑃 𝐿 ′及 𝑃 𝑅 ′. 對於 𝑃 𝐿 及 𝑃 𝑅 中的點, 檢查它和Y座標在它後面的八個點的距離是否小於δ. 若是的話則此為closest pair. 若否的話則遞迴呼叫所得到的𝛿距離的pair為closest pair. 需要所有P中的點照x座標排序 需要所有P中的點照y座標排序 但是不能每個遞迴呼叫都排序! 如何用低於𝚯 𝒏 𝒍𝒐𝒈 𝒏 的時間取得排好序的點?

13 Closest Pair of Points – D&C
依照y座標排序的P 依照x座標排序的P 照順序分成 𝑃 𝐿 , 𝑃 𝑅 的話只需要Θ 𝑛 依照x座標排序的 𝑃 𝐿 依照x座標排序的 𝑃 𝑅 依照y座標排序的 𝑃 𝐿 依照y座標排序的 𝑃 𝑅

14 Closest Pair of Points – D&C
不包含一開始的sorting的話: 𝑇 𝑛 =Θ 𝑛 log 𝑛 包含所有的話: 𝑇 ′ 𝑛 =Θ 𝑛 log 𝑛 +𝑇 𝑛 =Θ 𝑛 log 𝑛 Sorting所花時間

15 休息一下-程式設計師常見藉口 by Santos Liu on Saturday, March 5, 2011 at 1:00am 第 20 名：這很奇怪喔。 第 19 名：以前從來不會這樣啊！ 第 18 名：昨天明明會動的啊！ 第 17 名：怎麼可能~ 第 16 名：這一定是機器的問題。 第 15 名：你到底是打了什麼才讓程式當掉的？ 第 14 名：一定是你的資料有問題。 第 13 名：我已經好幾個禮拜沒碰那一段程式了。 第 12 名：你一定是用到舊版了。 第 11 名：一定是巧合！為什麼這種壞運氣只讓你碰上。 第 10 名：我不可能什麼功能都測試到吧，有 bug 是正常的！ 第 9 名：這個不可能是那個的原始碼！ 第 8 名：這程式應該是會動的，只是我寫好後還沒做測試。 第 7 名：可惡！一定有人改了我的程式。 第 6 名：你有檢查過你的電腦有沒有病毒嗎？ 第 5 名：儘管這功能還不能動啦，你覺得他如何？ 第 4 名：在你的系統不能用那一個版本的程式啦！ 第 3 名：你幹嘛要那樣操作，都是你的問題。 第 2 名：程式發生問題時你在哪裡？ 第 1 名：在我的機器明明就可以動啊！