计算几何模板详解

靖2025-01-072025-01-07

计算几何模板详解

1. 简介

计算几何是算法竞赛中的重要内容，涉及点、线、多边形等几何图形的各种计算和判断。本模板提供了完整的计算几何基础设施。

主要特点：

支持泛型，可处理整数和浮点数坐标
提供点、线的基本运算
实现了多边形相关算法
包含半平面交等高级功能

2. 实现原理

2.1 基本概念

向量运算：
- 点积：两个向量的点积表示它们的夹角关系
- 叉积：两个向量的叉积表示它们构成的平行四边形面积
点和线：
- 点用坐标(x,y)表示
- 线段由两个端点确定
- 直线可以用端点或者参数方程表示

2.2 核心策略

基础运算：
- 通过向量运算判断位置关系
- 使用叉积判断方向和位置
复杂算法：
- 通过基本运算构建高级功能
- 使用扫描线等技巧优化效率

3. 模板代码

template<class T>
struct Point {
    T x;
    T y;
    Point(const T &x_ = 0, const T &y_ = 0) : x(x_), y(y_) {}
    
    template<class U>
    operator Point<U>() {
        return Point<U>(U(x), U(y));
    }
    Point &operator+=(const Point &p) & {
        x += p.x;
        y += p.y;
        return *this;
    }
    Point &operator-=(const Point &p) & {
        x -= p.x;
        y -= p.y;
        return *this;
    }
    Point &operator*=(const T &v) & {
        x *= v;
        y *= v;
        return *this;
    }
    Point &operator/=(const T &v) & {
        x /= v;
        y /= v;
        return *this;
    }
    Point operator-() const {
        return Point(-x, -y);
    }
    friend Point operator+(Point a, const Point &b) {
        return a += b;
    }
    friend Point operator-(Point a, const Point &b) {
        return a -= b;
    }
    friend Point operator*(Point a, const T &b) {
        return a *= b;
    }
    friend Point operator/(Point a, const T &b) {
        return a /= b;
    }
    friend Point operator*(const T &a, Point b) {
        return b *= a;
    }
    friend bool operator==(const Point &a, const Point &b) {
        return a.x == b.x && a.y == b.y;
    }
    friend std::istream &operator>>(std::istream &is, Point &p) {
        return is >> p.x >> p.y;
    }
    friend std::ostream &operator<<(std::ostream &os, const Point &p) {
        return os << "(" << p.x << ", " << p.y << ")";
    }
};

template<class T>
struct Line {
    Point<T> a;
    Point<T> b;
    Line(const Point<T> &a_ = Point<T>(), const Point<T> &b_ = Point<T>()) : a(a_), b(b_) {}
};

template<class T>
T dot(const Point<T> &a, const Point<T> &b) {
    return a.x * b.x + a.y * b.y;
}

template<class T>
T cross(const Point<T> &a, const Point<T> &b) {
    return a.x * b.y - a.y * b.x;
}

template<class T>
T square(const Point<T> &p) {
    return dot(p, p);
}

template<class T>
double length(const Point<T> &p) {
    return std::sqrt(square(p));
}

template<class T>
double length(const Line<T> &l) {
    return length(l.a - l.b);
}

template<class T>
Point<T> normalize(const Point<T> &p) {
    return p / length(p);
}

template<class T>
bool parallel(const Line<T> &l1, const Line<T> &l2) {
    return cross(l1.b - l1.a, l2.b - l2.a) == 0;
}

template<class T>
double distance(const Point<T> &a, const Point<T> &b) {
    return length(a - b);
}

template<class T>
double distancePL(const Point<T> &p, const Line<T> &l) {
    return std::abs(cross(l.a - l.b, l.a - p)) / length(l);
}

template<class T>
double distancePS(const Point<T> &p, const Line<T> &l) {
    if (dot(p - l.a, l.b - l.a) < 0) {
        return distance(p, l.a);
    }
    if (dot(p - l.b, l.a - l.b) < 0) {
        return distance(p, l.b);
    }
    return distancePL(p, l);
}

template<class T>
Point<T> rotate(const Point<T> &a) {
    return Point(-a.y, a.x);
}

template<class T>
int sgn(const Point<T> &a) {
    return a.y > 0 || (a.y == 0 && a.x > 0) ? 1 : -1;
}

template<class T>
bool pointOnLineLeft(const Point<T> &p, const Line<T> &l) {
    return cross(l.b - l.a, p - l.a) > 0;
}

template<class T>
Point<T> lineIntersection(const Line<T> &l1, const Line<T> &l2) {
    return l1.a + (l1.b - l1.a) * (cross(l2.b - l2.a, l1.a - l2.a) / cross(l2.b - l2.a, l1.a - l1.b));
}

template<class T>
bool pointOnSegment(const Point<T> &p, const Line<T> &l) {
    return cross(p - l.a, l.b - l.a) == 0 && std::min(l.a.x, l.b.x) <= p.x && p.x <= std::max(l.a.x, l.b.x)
        && std::min(l.a.y, l.b.y) <= p.y && p.y <= std::max(l.a.y, l.b.y);
}

template<class T>
bool pointInPolygon(const Point<T> &a, const std::vector<Point<T>> &p) {
    int n = p.size();
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        if (pointOnSegment(a, Line(p[i], p[(i + 1) % n]))) {
            return true;
        }
    }
    
    int t = 0;
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        auto u = p[i];
        auto v = p[(i + 1) % n];
        if (u.x < a.x && v.x >= a.x && pointOnLineLeft(a, Line(v, u))) {
            t ^= 1;
        }
        if (u.x >= a.x && v.x < a.x && pointOnLineLeft(a, Line(u, v))) {
            t ^= 1;
        }
    }
    
    return t == 1;
}

template<class T>
std::tuple<int, Point<T>, Point<T>> segmentIntersection(const Line<T> &l1, const Line<T> &l2) {
    if (std::max(l1.a.x, l1.b.x) < std::min(l2.a.x, l2.b.x)) {
        return {0, Point<T>(), Point<T>()};
    }
    if (std::min(l1.a.x, l1.b.x) > std::max(l2.a.x, l2.b.x)) {
        return {0, Point<T>(), Point<T>()};
    }
    if (std::max(l1.a.y, l1.b.y) < std::min(l2.a.y, l2.b.y)) {
        return {0, Point<T>(), Point<T>()};
    }
    if (std::min(l1.a.y, l1.b.y) > std::max(l2.a.y, l2.b.y)) {
        return {0, Point<T>(), Point<T>()};
    }
    if (cross(l1.b - l1.a, l2.b - l2.a) == 0) {
        if (cross(l1.b - l1.a, l2.a - l1.a) != 0) {
            return {0, Point<T>(), Point<T>()};
        } else {
            auto maxx1 = std::max(l1.a.x, l1.b.x);
            auto minx1 = std::min(l1.a.x, l1.b.x);
            auto maxy1 = std::max(l1.a.y, l1.b.y);
            auto miny1 = std::min(l1.a.y, l1.b.y);
            auto maxx2 = std::max(l2.a.x, l2.b.x);
            auto minx2 = std::min(l2.a.x, l2.b.x);
            auto maxy2 = std::max(l2.a.y, l2.b.y);
            auto miny2 = std::min(l2.a.y, l2.b.y);
            Point<T> p1(std::max(minx1, minx2), std::max(miny1, miny2));
            Point<T> p2(std::min(maxx1, maxx2), std::min(maxy1, maxy2));
            if (!pointOnSegment(p1, l1)) {
                std::swap(p1.y, p2.y);
            }
            if (p1 == p2) {
                return {3, p1, p2};
            } else {
                return {2, p1, p2};
            }
        }
    }
    auto cp1 = cross(l2.a - l1.a, l2.b - l1.a);
    auto cp2 = cross(l2.a - l1.b, l2.b - l1.b);
    auto cp3 = cross(l1.a - l2.a, l1.b - l2.a);
    auto cp4 = cross(l1.a - l2.b, l1.b - l2.b);
    
    if ((cp1 > 0 && cp2 > 0) || (cp1 < 0 && cp2 < 0) || (cp3 > 0 && cp4 > 0) || (cp3 < 0 && cp4 < 0)) {
        return {0, Point<T>(), Point<T>()};
    }
    
    Point p = lineIntersection(l1, l2);
    if (cp1 != 0 && cp2 != 0 && cp3 != 0 && cp4 != 0) {
        return {1, p, p};
    } else {
        return {3, p, p};
    }
}

template<class T>
double distanceSS(const Line<T> &l1, const Line<T> &l2) {
    if (std::get<0>(segmentIntersection(l1, l2)) != 0) {
        return 0.0;
    }
    return std::min({distancePS(l1.a, l2), distancePS(l1.b, l2), distancePS(l2.a, l1), distancePS(l2.b, l1)});
}

template<class T>
bool segmentInPolygon(const Line<T> &l, const std::vector<Point<T>> &p) {
    int n = p.size();
    if (!pointInPolygon(l.a, p)) {
        return false;
    }
    if (!pointInPolygon(l.b, p)) {
        return false;
    }
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        auto u = p[i];
        auto v = p[(i + 1) % n];
        auto w = p[(i + 2) % n];
        auto [t, p1, p2] = segmentIntersection(l, Line(u, v));
        
        if (t == 1) {
            return false;
        }
        if (t == 0) {
            continue;
        }
        if (t == 2) {
            if (pointOnSegment(v, l) && v != l.a && v != l.b) {
                if (cross(v - u, w - v) > 0) {
                    return false;
                }
            }
        } else {
            if (p1 != u && p1 != v) {
                if (pointOnLineLeft(l.a, Line(v, u))
                    || pointOnLineLeft(l.b, Line(v, u))) {
                    return false;
                }
            } else if (p1 == v) {
                if (l.a == v) {
                    if (pointOnLineLeft(u, l)) {
                        if (pointOnLineLeft(w, l)
                            && pointOnLineLeft(w, Line(u, v))) {
                            return false;
                        }
                    } else {
                        if (pointOnLineLeft(w, l)
                            || pointOnLineLeft(w, Line(u, v))) {
                            return false;
                        }
                    }
                } else if (l.b == v) {
                    if (pointOnLineLeft(u, Line(l.b, l.a))) {
                        if (pointOnLineLeft(w, Line(l.b, l.a))
                            && pointOnLineLeft(w, Line(u, v))) {
                            return false;
                        }
                    } else {
                        if (pointOnLineLeft(w, Line(l.b, l.a))
                            || pointOnLineLeft(w, Line(u, v))) {
                            return false;
                        }
                    }
                } else {
                    if (pointOnLineLeft(u, l)) {
                        if (pointOnLineLeft(w, Line(l.b, l.a))
                            || pointOnLineLeft(w, Line(u, v))) {
                            return false;
                        }
                    } else {
                        if (pointOnLineLeft(w, l)
                            || pointOnLineLeft(w, Line(u, v))) {
                            return false;
                        }
                    }
                }
            }
        }
    }
    return true;
}

template<class T>
std::vector<Point<T>> hp(std::vector<Line<T>> lines) {
    std::sort(lines.begin(), lines.end(), [&](auto l1, auto l2) {
        auto d1 = l1.b - l1.a;
        auto d2 = l2.b - l2.a;
        
        if (sgn(d1) != sgn(d2)) {
            return sgn(d1) == 1;
        }
        
        return cross(d1, d2) > 0;
    });
    
    std::deque<Line<T>> ls;
    std::deque<Point<T>> ps;
    for (auto l : lines) {
        if (ls.empty()) {
            ls.push_back(l);
            continue;
        }
        
        while (!ps.empty() && !pointOnLineLeft(ps.back(), l)) {
            ps.pop_back();
            ls.pop_back();
        }
        
        while (!ps.empty() && !pointOnLineLeft(ps[0], l)) {
            ps.pop_front();
            ls.pop_front();
        }
        
        if (cross(l.b - l.a, ls.back().b - ls.back().a) == 0) {
            if (dot(l.b - l.a, ls.back().b - ls.back().a) > 0) {
                if (!pointOnLineLeft(ls.back().a, l)) {
                    assert(ls.size() == 1);
                    ls[0] = l;
                }
                continue;
            }
            return {};
        }
        
        ps.push_back(lineIntersection(ls.back(), l));
        ls.push_back(l);
    }
    
    while (!ps.empty() && !pointOnLineLeft(ps.back(), ls[0])) {
        ps.pop_back();
        ls.pop_back();
    }
    if (ls.size() <= 2) {
        return {};
    }
    ps.push_back(lineIntersection(ls[0], ls.back()));
    
    return std::vector(ps.begin(), ps.end());
}

4. 函数说明

4.1 基础结构

Point<T>: 点/向量结构体，支持基本运算
Line<T>: 线段结构体，由两个端点确定

4.2 基本运算

dot(): 计算点积
cross(): 计算叉积
length(): 计算长度
normalize(): 向量单位化

4.3 几何判定

parallel(): 判断平行
pointOnLineLeft(): 判断点在线段左侧
pointOnSegment(): 判断点在线段上
pointInPolygon(): 判断点在多边形内

5. 时间复杂度分析

基本运算：O(1)
点在多边形内判定：O(n)
半平面交：O(n log n)

6. 应用场景

几何图形的基本运算
多边形包含判定
线段相交判定
半平面交问题

7. 使用示例

7.1 基本几何运算

// 创建点和线段
Point<int> p1(0, 0), p2(3, 4);
Line<int> l(p1, p2);

// 计算距离
double dist = distance(p1, p2);  // 5.0

7.2 多边形操作

// 判断点是否在多边形内
vector<Point<int>> poly = {{0,0}, {2,0}, {2,2}, {0,2}};
Point<int> p(1, 1);
bool inside = pointInPolygon(p, poly);

8. 注意事项

浮点数精度问题
特殊情况处理（点重合、线段共线等）
坐标范围和整数溢出
退化情况的处理

9. 总结

计算几何模板提供了完整的几何运算基础设施，通过泛型编程支持不同数据类型。模板包含了从基本运算到复杂算法的完整实现，可以有效处理各种几何问题。在使用时需要注意数值精度和特殊情况的处理。