Eliminación de puntos del casco convexo

Dado un conjunto fijo de puntos. Necesitamos encontrar el casco convexo del conjunto dado. También necesitamos encontrar un casco convexo cuando se elimina un punto del conjunto.

Ejemplo: 

Initial Set of Points: (-2, 8) (-1, 2) (0, 1) (1, 0)
                        (-3, 0) (-1, -9) (2, -6) (3, 0) 
                        (5, 3) (2, 5) 
Initial convex hull:- (-2, 8) (-3, 0) (-1, -9) (2, -6)
                      (5, 3)
Point to remove from the set : (-2, 8)
Final convex hull: (2, 5) (-3, 0) (-1, -9) (2, -6) (5, 3)

Requisito previo: casco convexo (algoritmo simple divide y vencerás)
El algoritmo para resolver el problema anterior es muy fácil. Simplemente verificamos si el punto a eliminar es parte del casco convexo. Si es así, entonces tenemos que eliminar ese punto del conjunto inicial y luego hacer el casco convexo nuevamente (consulte Casco convexo (divide y vencerás) ). 

Y si no, ya tenemos la solución (el casco convexo no cambiará). 

C++

// C++ program to demonstrate delete operation
// on Convex Hull.
#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
 
// stores the center of polygon (It is made
// global because it is used in compare function)
pair<int, int> mid;
 
// determines the quadrant of a point
// (used in compare())
int quad(pair<int, int> p)
{
    if (p.first >= 0 && p.second >= 0)
        return 1;
    if (p.first <= 0 && p.second >= 0)
        return 2;
    if (p.first <= 0 && p.second <= 0)
        return 3;
    return 4;
}
 
// Checks whether the line is crossing the polygon
int orientation(pair<int, int> a, pair<int, int> b,
                pair<int, int> c)
{
    int res = (b.second-a.second)*(c.first-b.first) -
              (c.second-b.second)*(b.first-a.first);
 
    if (res == 0)
        return 0;
    if (res > 0)
        return 1;
    return -1;
}
 
// compare function for sorting
bool compare(pair<int, int> p1, pair<int, int> q1)
{
    pair<int, int> p = make_pair(p1.first - mid.first,
                                 p1.second - mid.second);
    pair<int, int> q = make_pair(q1.first - mid.first,
                                 q1.second - mid.second);
 
    int one = quad(p);
    int two = quad(q);
 
    if (one != two)
        return (one < two);
    return (p.second*q.first < q.second*p.first);
}
 
// Finds upper tangent of two polygons 'a' and 'b'
// represented as two vectors.
vector<pair<int, int> > merger(vector<pair<int, int> > a,
                               vector<pair<int, int> > b)
{
    // n1 -> number of points in polygon a
    // n2 -> number of points in polygon b
    int n1 = a.size(), n2 = b.size();
 
    int ia = 0, ib = 0;
    for (int i=1; i<n1; i++)
        if (a[i].first > a[ia].first)
            ia = i;
 
    // ib -> leftmost point of b
    for (int i=1; i<n2; i++)
        if (b[i].first < b[ib].first)
            ib=i;
 
    // finding the upper tangent
    int inda = ia, indb = ib;
    bool done = 0;
    while (!done)
    {
        done = 1;
        while (orientation(b[indb], a[inda], a[(inda+1)%n1]) >=0)
            inda = (inda + 1) % n1;
 
        while (orientation(a[inda], b[indb], b[(n2+indb-1)%n2]) <=0)
        {
            indb = (n2+indb-1)%n2;
            done = 0;
        }
    }
 
    int uppera = inda, upperb = indb;
    inda = ia, indb=ib;
    done = 0;
    int g = 0;
    while (!done)//finding the lower tangent
    {
        done = 1;
        while (orientation(a[inda], b[indb], b[(indb+1)%n2])>=0)
            indb=(indb+1)%n2;
 
        while (orientation(b[indb], a[inda], a[(n1+inda-1)%n1])<=0)
        {
            inda=(n1+inda-1)%n1;
            done=0;
        }
    }
 
    int lowera = inda, lowerb = indb;
    vector<pair<int, int> > ret;
 
    //ret contains the convex hull after merging the two convex hulls
    //with the points sorted in anti-clockwise order
    int ind = uppera;
    ret.push_back(a[uppera]);
    while (ind != lowera)
    {
        ind = (ind+1)%n1;
        ret.push_back(a[ind]);
    }
 
    ind = lowerb;
    ret.push_back(b[lowerb]);
    while (ind != upperb)
    {
        ind = (ind+1)%n2;
        ret.push_back(b[ind]);
    }
    return ret;
 
}
 
// Brute force algorithm to find convex hull for a set
// of less than 6 points
vector<pair<int, int> > bruteHull(vector<pair<int, int> > a)
{
    // Take any pair of points from the set and check
    // whether it is the edge of the convex hull or not.
    // if all the remaining points are on the same side
    // of the line then the line is the edge of convex
    // hull otherwise not
    set<pair<int, int> >s;
 
    for (int i=0; i<a.size(); i++)
    {
        for (int j=i+1; j<a.size(); j++)
        {
            int x1 = a[i].first, x2 = a[j].first;
            int y1 = a[i].second, y2 = a[j].second;
 
            int a1 = y1-y2;
            int b1 = x2-x1;
            int c1 = x1*y2-y1*x2;
            int pos = 0, neg = 0;
            for (int k=0; k<a.size(); k++)
            {
                if (a1*a[k].first+b1*a[k].second+c1 <= 0)
                    neg++;
                if (a1*a[k].first+b1*a[k].second+c1 >= 0)
                    pos++;
            }
            if (pos == a.size() || neg == a.size())
            {
                s.insert(a[i]);
                s.insert(a[j]);
            }
        }
    }
 
    vector<pair<int, int> >ret;
    for (auto e : s)
        ret.push_back(e);
 
    // Sorting the points in the anti-clockwise order
    mid = {0, 0};
    int n = ret.size();
    for (int i=0; i<n; i++)
    {
        mid.first += ret[i].first;
        mid.second += ret[i].second;
        ret[i].first *= n;
        ret[i].second *= n;
    }
    sort(ret.begin(), ret.end(), compare);
    for (int i=0; i<n; i++)
        ret[i] = make_pair(ret[i].first/n, ret[i].second/n);
 
    return ret;
}
 
// Returns the convex hull for the given set of points
vector<pair<int, int>> findHull(vector<pair<int, int>> a)
{
    // If the number of points is less than 6 then the
    // function uses the brute algorithm to find the
    // convex hull
    if (a.size() <= 5)
        return bruteHull(a);
 
    // left contains the left half points
    // right contains the right half points
    vector<pair<int, int>>left, right;
    for (int i=0; i<a.size()/2; i++)
        left.push_back(a[i]);
    for (int i=a.size()/2; i<a.size(); i++)
        right.push_back(a[i]);
 
    // convex hull for the left and right sets
    vector<pair<int, int>>left_hull = findHull(left);
    vector<pair<int, int>>right_hull = findHull(right);
 
    // merging the convex hulls
    return merger(left_hull, right_hull);
}
 
// Returns the convex hull for the given set of points after
// remviubg a point p.
vector<pair<int, int>> removePoint(vector<pair<int, int>> a,
                                   vector<pair<int, int>> hull,
                                   pair<int, int> p)
{
    // checking whether the point is a part of the
    // convex hull or not.
    bool found = 0;
    for (int i=0; i < hull.size() && !found; i++)
        if (hull[i].first == p.first &&
                hull[i].second == p.second)
            found = 1;
 
    // If point is not part of convex hull
    if (found == 0)
        return hull;
 
    // if it is the part of the convex hull then
    // we remove the point and again make the convex hull
    // and if not, we print the same convex hull.
    for (int i=0; i<a.size(); i++)
    {
        if (a[i].first==p.first && a[i].second==p.second)
        {
            a.erase(a.begin()+i);
            break;
        }
    }
 
    sort(a.begin(), a.end());
    return findHull(a);
}
 
// Driver code
int main()
{
    vector<pair<int, int> > a;
    a.push_back(make_pair(0, 0));
    a.push_back(make_pair(1, -4));
    a.push_back(make_pair(-1, -5));
    a.push_back(make_pair(-5, -3));
    a.push_back(make_pair(-3, -1));
    a.push_back(make_pair(-1, -3));
    a.push_back(make_pair(-2, -2));
    a.push_back(make_pair(-1, -1));
    a.push_back(make_pair(-2, -1));
    a.push_back(make_pair(-1, 1));
 
    int n = a.size();
 
    // sorting the set of points according
    // to the x-coordinate
    sort(a.begin(), a.end());
    vector<pair<int, int> >hull = findHull(a);
 
    cout << "Convex hull:\n";
    for (auto e : hull)
        cout << e.first << " "
             << e.second << endl;
 
    pair<int, int> p = make_pair(-5, -3);
    removePoint(a, hull, p);
 
    cout << "\nModified Convex Hull:\n";
    for (auto e:hull)
        cout << e.first << " "
             << e.second << endl;
 
    return 0;
}

Producción: 

convex hull:
-3 0
-1 -9
2 -6
5 3
2 5

Complejidad del tiempo: 
es simple ver que el tiempo máximo que se tarda por consulta es el tiempo que se tarda en construir la envolvente convexa que es O(n*logn). Entonces, la complejidad general es O(q*n*logn), donde q es el número de puntos a eliminar.

Espacio Auxiliar: O(n), ya que se han tomado n espacios extra.

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Publicación traducida automáticamente

Artículo escrito por GeeksforGeeks-1 y traducido por Barcelona Geeks. The original can be accessed here. Licence: CCBY-SA

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