基于Manhattan最小生成树的莫队算法

点u,v的Manhattan距离:distance(u,v)= |x2-x1|+|y2-y1|

Manhattan最小生成树:边权值为两个点Manhattan距离的最小生成树。

普通算法:prim复杂度O(N2),或者处理出所有边,那么kruskal复杂度O(N2logN),这么庞大的复杂度显然是不行的

Manhattan最小生成树算法: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。

简略证明:

  如图,我们不妨设|AB|<=|AC|;

  那么可以证明|AC|>=|BC|,证明如下

    

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      |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。  

  显然|AC|是权值最大的边,那么我们在建立最小生成树时必然不会选择它,即我们必然连接点A,B而不是A,C

接下去用kruskal算法在O(NlogN)复杂度内处理这N条边:

  

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。

 

举例:

 

显然,边(i,j), (j,k), (i,k)构成一个环<i,j,k>,而(i,k)一定是最长边,可以被删去。所以我们只连边(i,j)。

为了避免重复加边,我们只考虑R1~R4这4个区域。(总共加了4N条边)

这4个区域的点(x,y)要满足什么条件?

  • 如果点(x,y)在R1,它要满足:x ≥ xi ,y – x ≥ yi – xi(最近点的x + y最小)
  • 如果点(x,y)在R2,它要满足:y ≥ yi ,y – x ≤ yi – xi(最近点的x + y最小)
  • 如果点(x,y)在R3,它要满足:y ≤ yi ,y + x ≥ yi + xi(最近点的y – x最小)
  • 如果点(x,y)在R4,它要满足:x  ≥ xi ,y + x ≤ yi – xi(最近点的y – x最小)

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