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📅  最后修改于: 2023-12-03 15:41:16.166000             🧑  作者: Mango

给定n个线段,找出两个线段是否相交

本题目需要寻找是否存在重叠的线段,这是计算机科学中常见的问题。以下提供两种解题思路和代码实现。

解法一:暴力枚举

对于给定的n条线段,我们可以使用两个for循环来枚举任意两条线段,然后判断这两条线段是否相交。如果存在相交的线段,则返回True,否则返回False。这种做法的时间复杂度为O(n ^ 2),适用于数据规模较小的情况。

def is_intersected(lines):
    n = len(lines)
    for i in range(n):
        for j in range(i + 1, n):
            x1, y1, x2, y2 = lines[i]
            x3, y3, x4, y4 = lines[j]
            if ((x1 - x3) * (y4 - y3) - (y1 - y3) * (x4 - x3)) * ((x2 - x3) * (y4 - y3) - (y2 - y3) * (x4 - x3)) < 0 and ((x3 - x1) * (y2 - y1) - (y3 - y1) * (x2 - x1)) * ((x4 - x1) * (y2 - y1) - (y4 - y1) * (x2 - x1)) < 0:
                return True
    return False

此处的线段用元组表示,其中第一个元素是第一条线段的起点横坐标,第二个元素是起点纵坐标,第三个是终点横坐标,第四个是终点纵坐标。判断线段是否相交需要用到向量外积的知识。

解法二:扫描线算法

扫描线算法是一种常见的解决线段重叠问题的方法。具体实现过程如下:

  1. 将所有线段的端点按照横坐标进行排序;
  2. 开始从左至右扫描线段的端点,遇到一个线段的起点则将该线段加入到当前的集合S中,遇到一个线段终点则将该线段从集合S中删除;
  3. 在扫描过程中,维护集合S中的线段是否有重叠即可。

使用这种方法可以将时间复杂度降为O(nlogn),适用于数据规模较大的情况。

def is_intersected(lines):
    event_points = []  # 端点事件
    for i, line in enumerate(lines):
        x1, y1, x2, y2 = line
        if x1 == x2:  # 垂直线
            event_points.append((x1, min(y1, y2), i, 1))  # 起点事件
            event_points.append((x1, max(y1, y2), i, -1))  # 终点事件
        else:
            event_points.append((min(x1, x2), min(y1, y2), i, 1))  # 起点事件
            event_points.append((max(x1, x2), max(y1, y2), i, -1))  # 终点事件
    event_points.sort()  # 按横坐标排序

    active_lines = set()  # 当前活跃的线段集合
    for _, y, i, direction in event_points:
        if direction == 1:  # 起点事件
            for line in active_lines:  # 检查是否有重叠
                if intersect(lines[i], lines[line]):
                    return True
            active_lines.add(i)
        else:  # 终点事件
            active_lines.remove(i)
    return False


def intersect(line1, line2):  # 判断两条线段是否有交点
    x1, y1, x2, y2 = line1
    x3, y3, x4, y4 = line2
    return ((x1 - x3) * (y4 - y3) - (y1 - y3) * (x4 - x3)) * ((x2 - x3) * (y4 - y3) - (y2 - y3) * (x4 - x3)) < 0 and ((x3 - x1) * (y2 - y1) - (y3 - y1) * (x2 - x1)) * ((x4 - x1) * (y2 - y1) - (y4 - y1) * (x2 - x1)) < 0

在这种方法中,需要将线段端点事件存储为一个列表,列表元素四个元素分别表示横坐标、纵坐标、线段编号、事件类型(起点还是终点)。然后按照横坐标排序,开始从左至右扫描端点,并维护一个活跃的线段集合。当遇到一个起点时,将当前线段加入集合中,然后检查该线段和集合中的其他线段是否有重叠;当遇到一个终点时,将该线段从集合中删除即可。

以上两种方法都可以解决本题目,但是在实际应用中应当根据具体情况来选择使用哪种方法。