被揭晓。程明笃的队伍,在封榜前,与另外几支来自世界顶级名校的队伍,以9道题的成绩,暂时并列第一。
而此刻,所有人的目光,都聚焦在了题板上那道依旧是灰色的、代表着无人解出的J题"上一一那是一道极其复杂的计算几何题。(解题过程可选择跳过,不影响情节。)
题目背景:在一个二维平面上,分布着N个互不重叠的、由简单多边形代表的“居住区”(N可以高达10万)。现在,某科技公司计划发射M颗”通讯卫星(M也可以高达10万),每颗卫星的信号覆盖范围都是一个完美的圆形。题目要求:给出所有“居住区"的顶点坐标和M颗卫星的坐标及其信号半径。要求程序能够快速回答一个问题:对于每一颗卫星,它的信号完整覆盖了多少个“居住区"?
N和M都高达10万。如果采用最笨的办法一一对于每一颗卫星,都去遍历所有N个居住区,并进行一次复杂的“完整覆盖"判定,那么总计算量将是M*N(即10万*10万=100亿次)。
竞赛计算机的单秒处理能力约1亿次,所以计算机处理时间是100秒,但是这时间远远超过了ICPC题目通常给出的1-2秒的时间限制,而且这种解法没有技术含量,丢失了竞赛的意义。这个解法提交上去,得到的结果一定是“超时(Time Limit Exceeded,简称TLE),即解答失败。这一道题的难点不在数学思想,而是如何在计算机的能力内在短时间内解决大规模数据,这只能从算法的角度去优化,在有限的计算机运算能力之下,高效完成任务。
程明笃的队友,现在都停下了手中的动作。因为常规解法动辄需要上千代码量,这不是体力竞赛,必须要确定思路再行动才更加有效。
“首先不可能走时间复杂度这么高的方法,远远超时。"负责变成的队友神情有些焦灼,但是他们队伍呈现的状态还是较为稳定的。程明笃作为队长,更是三人中最为平静的,他靠在椅背上,闭上了眼睛,手指在桌面上,无意识地、有节奏地轻轻敲击着。那张清隽的脸上,没有丝毫的紧张,只有一种近乎冷酷的、绝对的专注。他仿佛已经抽离了这个嘈杂的赛场,进入了一个只有纯粹的算法世界。突然,程明笃敲击的手指停住了。他睁开眼,那双总是深邃沉静的眼眸里,在那一瞬间,闪过了一道洞悉一切的、令人心悸的璀璨光芒。他直接拿起白板笔,在旁边的小白板上,以一种快得惊人的速度,画出了一系列辅助线和几何模型,构建了一个所有人都没想到的、全新的坐标系。“我们别再纠结′面在不在圆里,"他的笔尖在白板上飞舞,“问题的核心,是′最远点′。我们要做一张′查询地图',把整个平面预先分割,而不是等查询来了再去计算。”
他首先运用“最远点Voronoi图"的思想,为10万个“居住区”,各自生成了张"谁离我最远"的答案地图。
他将这10万张地图叠加在一起,形成了一张包含了天文数字般信息的、极其复杂的"查询地图”。
运用“平面点定位算法”,为这张“查询地图"建立了一个查询引擎。最后,当题目给出M颗卫星的坐标时,他们要做的,只是把每一颗卫星的坐标,一个一个地输入事先建立的"查询地图”里。系统会瞬间告诉他,对于这颗卫星,1号居住区最远点是A,2号是B,3号是.……他们只需进行简单的距离判断,就能得出最终答案。程明笃在白板上,用短短几十秒,清晰地勾勒出了这个堪称天马行空的、宏伟的算法框架。
他那两位同样是顶尖天才的队友,在最初的震惊过后,立刻领会了这个思路的精妙之处。
但紧接着,那个负责编码的队友,立刻指出了这个计划中最致命的、也是最现实的难题。
“思路很巧妙,但这个实现难度太高了!"他的神情凝重起来,“光是构建Voronoi图时,计算那些由垂直平分线构成的交点,就会涉及大量的浮点数运算。double的精度误差是会累积的。只要有一个交点因为精度问题偏离了哪怕只偏离10^?7 ,整个数据结构的拓扑关系就全错了,后面的所有查询,都会是垃圾线果。这道题的测试数据,一定是用最刁钻的方式,卡着我们精度的。”这就是计算几何竞赛中的“魔鬼”一一精度问题。它像一个幽灵,能让你明明拥有了全世界最正确的思路,却仍然写不出结果可接受的代码。然而,程明笃似乎早就料到了这个问题。他的脸上,没有露出什么意外。他拿起白板擦,擦掉了刚才画的一个辅助圆,然后看着两位队友,用一种异常冷静的语气说道:
“我知道。所以,我们不用double。”队友愣住了:“不用double?那怎么计算交点和距离?”“用我之前封装过一个几何库模板,所有的坐标点,我们全部用整型(lorg long)来存储。所有涉及方向判定、点在线的哪一侧、内外关系等核心的几何判断,全部用基于向量的叉积和点积来计算。这样,我们就可以在整个建图过程中,从根本上避免任何浮点数的比较,保证所有拓扑关系的正确。”“那距离呢?“数学队友追问,“最后一步判断′最远点'和