POJ 3241 Object Clustering 二维平面曼哈顿距离最小生成树

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题意:

给定二维平面上的n个点坐标,常数k

下面n行给出坐标

求一个最小生成树,问第k大的边是多少。

任意两个点间建一条边的花费是其曼哈顿距离。

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一、曼哈顿距离最小生成树

曼哈顿距离最小生成树问题可以简述如下:

给定二维平面上的N个点,在两点之间连边的代价为其曼哈顿距离,求使所有点连通的最小代价。

朴素的算法可以用O(N2)的Prim,或者处理出所有边做Kruskal,但在这里总边数有O(N2)条,所以Kruskal的复杂度变成了O(N2logN)。

但是事实上,真正有用的边远没有O(N2)条。我们考虑每个点会和其他一些什么样的点连边。可以得出这样一个结论,以一个点为原点建立直角坐标系,在每45度内只会向距离该点最近的一个点连边。

这个结论可以证明如下:假设我们以点A为原点建系,考虑在y轴向右45度区域内的任意两点B(x1,y1)和C(x2,y2),不妨设|AB|≤|AC|(这里的距离为曼哈顿距离),如下图:

|AB|=x1+y1,|AC|=x2+y2,|BC|=|x1-x2|+|y1-y2|。而由于B和C都在y轴向右45度的区域内,有y-x>0且x>0。下面我们分情况讨论:

1.x1>x2且y1>y2。这与|AB|≤|AC|矛盾;

2.x1≤x2且y1>y2。此时|BC|=x2-x1+y1-y2,|AC|-|BC|=x2+y2-x2+x1-y1+y2=x1-y1+2*y2。由前面各种关系可得y1>y2>x2>x1。假设|AC|<|BC|即y1>2*y2+x1,那么|AB|=x1+y1>2*x1+2*y2,|AC|=x2+y2<2*y2<|AB|与前提矛盾,故|AC|≥|BC|;

3.x1>x2且y1≤y2。与2同理;

4.x1≤x2且y1≤y2。此时显然有|AB|+|BC|=|AC|,,即有|AC|>|BC|。

综上有|AC|≥|BC|,也即在这个区域内只需选择距离A最近的点向A连边。

这种连边方式可以保证边数是O(N)的,那么如果能高效处理出这些边,就可以用Kruskal在O(NlogN)的时间内解决问题。下面我们就考虑怎样高效处理边。

我们只需考虑在一块区域内的点,其他区域内的点可以通过坐标变换“移动”到这个区域内。为了方便处理,我们考虑在y轴向右45度的区域。在某个点A(x0,y0)的这个区域内的点B(x1,y1)满足x1≥x0且y1-x1>y0-x0。这里对于边界我们只取一边,但是操作中两边都取也无所谓。那么|AB|=y1-y0+x1-x0=(x1+y1)-(x0+y0)。在A的区域内距离A最近的点也即满足条件的点中x+y最小的点。因此我们可以将所有点按x坐标排序,再按y-x离散,用线段树或者树状数组维护大于当前点的y-x的最小的x+y对应的点。时间复杂度O(NlogN)。

至于坐标变换,一个比较好处理的方法是第一次直接做;第二次沿直线y=x翻转,即交换x和y坐标;第三次沿直线x=0翻转,即将x坐标取相反数;第四次再沿直线y=x翻转。注意只需要做4次,因为边是双向的。

至此,整个问题就可以在O(NlogN)的复杂度内解决了。

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世上再美的风景,都不及回家的那段路。

POJ 3241 Object Clustering 二维平面曼哈顿距离最小生成树

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