《程序员面试金典(第6版)》面试题 16.14. 最佳直线(向量,C++)

2023-05-16

题目描述

给定一个二维平面及平面上的 N 个点列表Points,其中第i个点的坐标为Points[i]=[Xi,Yi]。请找出一条直线,其通过的点的数目最多。

  • 设穿过最多点的直线所穿过的全部点编号从小到大排序的列表为S,你仅需返回[S[0],S[1]]作为答案,若有多条直线穿过了相同数量的点,则选择S[0]值较小的直线返回,S[0]相同则选择S[1]值较小的直线返回。

示例:

输入: [[0,0],[1,1],[1,0],[2,0]]
输出: [0,2]
解释: 所求直线穿过的3个点的编号为[0,2,3]

提示:

  • 2 <= len(Points) <= 300
  • len(Points[i]) = 2

解题思路与代码

这道题又是一道关于数学几何问题的题目,考察到了同学们对向量知识的了解。如何通过向量来判断3点共线问题。

  • 如果大家的几何数学知识好的话,这道题确实不算一道难题。就直接先来给大家普及一下向量的知识吧。

    • 假如点A,点B两点构成一条直线,我们可以用向量a去表示这条直线。那么a这个向量坐标我们可以记为(x1,y1)x1 = xB - xA, y1 = yB - yA
    • 假如点A,点C两点构成一条直线,我们可以用向量a去表示这条直线。那么b这个向量坐标我们可以记为(x2,y2)x2 = xC - xA, y2 = yC - yA
    • 如果直线AC与直线AB是同一条直线了话,向量a - 向量b = 0;根据向量的运算法则,也就是说,x2y1 - x1y2 = 0;
    • OK,直到这么多关于向量的知识就可以了。我们就可以来解决这道题了。
  • 对于这道题,我们需要先创建一个vector(result)来存储最后的答案,两个int(maxCount,count)来去记录遍历中一条直线穿过最多节点的个数。

  • 之后用双层for循环固定两个点,也就是一个向量,第三层for循环再固定一个点,与第一个点凑成第二个向量

  • 第三层for循环就是用来循环比较一条直线上有多少个点的。如果有,我们就加入count,第三层循环完毕后,更新maxcount,result的值。

  • 最后我们可以进行一个剪枝操作,也就是points.size()- 1 - j + 2 <= maxcount

    • points.size() - 1 - j表示从当前点j开始到最后一个点之间的点的数量。加2是因为我们还要考虑初始的两个点i和j。
  • 最后返回result,我们这道题就算是彻底做完啦!

具体的代码如下:

class Solution {
public:
    vector<int> bestLine(vector<vector<int>>& points) {
        vector<int> result(2);
        int maxcount = 0;
        int count = 0;
        for(int i = 0; i < points.size() - 1; ++i){
            for(int j = i + 1; j < points.size(); ++j){
                if(points.size()- 1 - j + 2 <= maxcount) break;
                long long x1 = points[j][0] - points[i][0];
                long long y1 = points[j][1] - points[i][1];
                count = 2;
                for(int k = j + 1; k < points.size(); ++k){
                    long long x2 = points[k][0] - points[i][0];
                    long long y2 = points[k][1] - points[i][1];
                    if(x1 * y2 == x2 * y1) ++count;
                }
                if(count > maxcount){
                    maxcount = count;
                    result[0] = i;
                    result[1] = j;
                }
            }
        }
        return result;
    }
};

在这里插入图片描述

复杂度分析

对于给定的点集,我们首先遍历所有的点对 (i, j)。这需要 O(n^2) 的时间复杂度,其中 n 是点的数量。接下来,我们对于每一对点 (i, j),检查其他点是否在它们构成的直线上。这需要 O(n) 的时间复杂度。因此,总的时间复杂度是 O(n^3)。

现在,让我们分析空间复杂度。

在这个实现中,我们仅使用了几个变量来存储计数和结果。这些变量的数量与点的数量无关。因此,空间复杂度为 O(1)。

综上所述,这道题的时间复杂度为 O(n^3),空间复杂度为 O(1)。

总结

这道题目的意义在于测试一个程序员的编程能力,以及他们对几何和向量概念的理解。题目需要解决的问题是在给定的二维平面上的点集中,找到一条穿过最多点的直线。这是一个常见的几何问题,可以通过多种方法解决。

在解决此问题时,程序员需要考虑以下几个方面:

  1. 理解题目中的点和直线的概念。
  2. 设计一个有效的算法来找到穿过最多点的直线。
  3. 确保算法能够处理不同大小和形状的输入数据。
  4. 优化算法,使其在处理大量数据时具有较高的效率。

通过这道题目,程序员可以锻炼自己的编程技巧、逻辑思维能力和对数学概念的理解。此外,这道题还可以帮助程序员学会优化算法以提高代码的效率。

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