Рейтинг@Mail.ru
Rambler's Top100




Не нашли нужную работу? Закажи реферат, курсовую, диплом на заказ

реферат на тему: Сравнительный анализ алгоритмов построения выпуклой оболочки на плоскости

скачать реферат

найдена за время, пропорциональное суммарному числу их вершин.

Динамические алгоритмы построения выпуклой оболочки

Все приведенные алгоритмы не являются открытыми, так как требуют изначально знать все точки множества S. Но в некоторых случаях требуется иметь алгоритм способный при поступлении новой точки изменять выпуклую оболочку. В данном случае мы имеем дело с задачей ВО2. Очевидно, что решение задачи существует. Можно каждый раз после поступления точки использовать обход Грэхема и получить алгоритм со сложностью O(N2 log N), но хотелось бы не приносить в жертву оценку O(N log N). Для этого следует обратить внимание на то, что каждую новую точку алгоритм должен или отбрасывать, или вставлять его в список точек образующих выпуклую оболочку. Чтобы получить это оценку, мы на каждую точку должны тратить время O(log N), то есть мы должна находить место вставки и вставлять точку за O(log N). Такой алгоритм построил Препарата. В этом алгоритме необходимо быстро находить опорные прямые к выпуклому многоугольнику P и проходящие через некоторую точку p. После этого одну из цепей, на которые разбивают опорные точки границу выпуклого многоугольника, заменить на p. Будем называть опорную прямую pl левой, если многоугольник P лежит справа от pl, и соответственно прямую pr правой, если слева. Точки l и r будем называть опорными. Так же будем различать вогнутые вершины, т.е. те для которых отрезок, соединяющий их и p, пересекает внутренность многоугольника. А те, которые ни вогнутые и ни опорные будут выпуклыми. При поверке какой-то вершины на вогнутость или выгнутость мы можем определить, где искать опорную точку. Тык же мы должны иметь возможность быстро удалить цепочку вершин и вставить место нее p. Для этого нам нужно хранить многоугольник не писком, как это делалось в предыдущих алгоритмах, а AWL или другим сбалансированным деревом. В этом дереве T переход к левому потомку будет соответствовать движению по часовой стрелке по выпуклой оболочке, а для правого против часовой стрелки. Для каждого узла в этом дереве мы должны иметь возможность получать доступ к самой левому узлу. Если рассмотреть корневой узел дерева M и m самый левый узел, то они разбивают границу выпуклого многоугольника на две цепи, причем одна хранится в левом поддереве M, а вторая в правом. В зависимости от типа вершины М и m, а также от того, какой угол (mpM) левый или правый, можно определить в каком поддереве находится опорная вершина. Рассмотрим поиск левой опорной вершины. Если (mpM) левый а m вогнутая или то (mpM) правый а M выпуклая, то поиск нежно продолжать в левом поддереве, иначе в правом. Аналогично и для правой опорной вершины.

Рис. 4: Два варианта для m, M и p.

Таким способом мы находим за время O(log i) левую и правую опорные прямые. После этого за время O(log i) мы можем удалить все выпуклые вершины и сбалансируем дерево. Отсюда следует теорема:

Теорема 7. Выпуклая оболочка множества из N точек на плоскости может быть найдена с помощью открытого алгоритма за время (N log N) и со временем коррекции (log N).

Сравнительный анализ алгоритмов построения выпуклой оболочки

Так как теоретически показали, что время работы всех алгоритмов в среднем O(log N), то следует ожидать при тестировании почти всегда результаты отличающиеся на константу. Проведем исследования зависимости времени работы алгоритмов от размеров задачи при равномерном распределении точек:

Рис. 5: Зависимость
Не нашли нужную работу? Закажи реферат, курсовую, диплом на заказ




время выполнения алгоритмов при равномерном случайном расположении точек (N<=100).

Рис. 6: Зависимость время выполнения алгоритмов при равномерном случайном расположении точек (N<=200000).

Как видно из диаграмм, все алгоритмы в среднем при равномерном распределении точек показали почти линейное время. Различается время примерно в одинаковое число раз, что связано с реализацией данных алгоритмов. Так же видно, при данном распределении быстрее всех работает быстрый алгоритм построения выпуклой оболочки. Это объясняется тем, что в этом случае при каждом шаге он отбрасывает примерно одинаковую часть точек. Поэтому на каждом i-том уровне рекурсии происходит обработка Nki точек, где k часть вершин, которая остается. Это k будет меньше единицы, и не будет сильно изменяться на более глубоких вызовах рекурсивной процедуры. Отсюда получаем то, что время будет стремиться к линейному. Такого не должно наблюдаться при тестах, в которых почти все данные точки будут являться вершинами выпуклой оболочки.

Рис. 7: Зависимость время выполнения при расположении точек на окружности.

Как видно в данном случае алгоритм Грэхема оказался самым эффективным. Быстрый метод в этом случае не выбрасывает на каждом шаге точек, но так как делит их примерно на равные части, то получается, что он работает примерно время O(N log N), что вполне приемлемо. Что касается динамического построения, то в процессе добавления точек в дерево попадают все вершины, а так как при работе с AWL деревом в моей реализации используются сложные операции с указателями то и процедура получилась медленной.

Рис. 8: Нежелательный случай расположения точек для быстрого алгоритма. Из алгоритма быстрого построения следует, что в некоторых случая на каком-то шаге может оказаться, что не была удалена ни одна вершина, и все точки оказались по одну сторону от bh и eh (рис. 8). Если такое случается очень редко, то это не отразится на времени выполнения значительно, а если такое происходит на каждом шаге, то это приводит к оценке O(N2). Для моей реализации этого алгоритма можно взять график ex и точку, расположенную на оси ординат над точкой O.

Рис. 9: Время работы быстрой оболочки O(N2).

Выводы

Как видно из результатов тестов, быстрый метод с данной задачей справляется неудовлетворительно. Теперь можно подвести итоги. В большинстве случаев самыми быстрыми являются алгоритмы Грэхема и быстрый алгоритм. С учетом того, что они просты для реализации, они вполне приемлемы для многих задач. Но быстрый метод имеет существенный недостаток. Если нас интересует поведение алгоритма в худшем случае, он неприемлем. Алгоритм типа “разделяй и властвуй” не показал очень быстрых результатов и не является очень простым в реализации, но он в худшем случае все равно имеет оптимальную оценку. Так же он может быть очень эффективно распараллелен. Динамический способ стоит реализовывать только в случае, если требуется открытый алгоритм, так как он не является очень быстрым и его реализация связана с различными трудностями.

Заключение

В этой работе были показаны основные алгоритмы построения выпуклых оболочек на плоскости. Так же были проведены сравнения на конкретных реализациях алгоритмов и тестах. Все задачи, поставленные перед этой работой, на мой взгляд, решены. Приложение Unit1.pas unit Unit1; interface uses Windows, Messages, SysUtils, Classes, Graphics, Controls, Forms, Dialogs, ExtCtrls, StdCtrls, Spin;

скачать реферат
1 2 3 4 5 6 ...    последняя

Не нашли нужную работу? Закажи реферат, курсовую, диплом на заказ

Внимание! Студенческий отдых и мегатусовка после сессии!


Обратная связь.

IsraLux отзывы Израиль отзывы