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技术 2022年11月20日
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题目:给出一些线段,判断有几个交点。

问题:如何判断两条线段是否相交

向量叉乘(行列式计算):向量a(x1,y1),向量b(x2,y2):

首先我们要明白一个定理:向量a×向量b(×为向量叉乘),若结果小于0,表示向量b在向量a的顺时针方向;若结果大于0,表示向量b在向量a的逆时针方向;若等于0,表示向量a与向量b平行。(顺逆时针是指两向量平移至起点相连,从某个方向旋转到另一个向量小于180度)。如下图:

在上图中,OA×OB = 2 > 0, OB在OA的逆时针方向;OA×OC = -2 < 0,OC在OA的顺势针方向。即叉乘结果大于0,后一个在前一个的逆时针方向;小于零,后一个在前一个的顺时针方向。

那如何来判断两线段是否相交呢?

假设有两条线段AB,CD,若AB,CD相交,我们可以确定:

1.线段AB与CD所在的直线相交,即点A和点B分别在直线CD的两边;

2.线段CD与AB所在的直线相交,即点C和点D分别在直线AB的两边;

上面两个条件同时满足是两线段相交的充要条件,所以我们只需要证明点A和点B分别在直线CD的两边,点C和点D分别在直线AB的两边,这样便可以证明线段AB与CD相交了。

那判断两线段是否相交与一开始提到的向量叉乘定理有什么关系呢?有,我们可以通过叉乘来证明上面说的充要条件。看下图:

在上图中,线段AB与线段CD相交,于是我们可以得到两个向量AC,AD,C和D分别在AB的两边,向量AC在向量AB的逆势针方向,AB×AC > 0;向量AD在向量AB的顺势针方向,AB×AD < 0,两叉乘结果异号。

这样,方法就出来了:如果线段CD的两个端点C和D,与另一条线段的一个端点(A或B,只能是其中一个)连成的向量,与向量AB做叉乘,若结果异号,表示C和D分别在直线AB的两边,若结果同号,则表示CD两点都在AB的一边,则肯定不相交。

当然,不能只证明C,D在直线AB的两边,还要用相同的方法证明A,B在直线CD的两边,两者同时满足才是线段相交的充要条件。

不过,线段相交还有一些特殊情况:

1.只有1点相交,如下图:

上图中,线段AB与CD相交于C点,按照之前介绍的方法,我们可以连成两向量AD和AC,这时候,我们发现,AC与AB共线,AB×AC = 0;而AB×AD < 0;两者并不异号,可实际上仍然相交。所以当出现两叉乘结果中,有一方为0,也可以看成点CD在直线AB的两边。

2.两条线段重合,如下图:

在上图中,线段AB与线段CD重合,重合部分为CB,这种重合的情况要特殊判断:

首先,我们给没条线段的两个端点排序,大小判断方法如下:横坐标大的点更大,横坐标相同,纵坐标大的点更大。

排好序后,每条线段中,小的点当起点,大的当终点。我们计算向量AB×向量CD,若结果为0,表示线段AB平行CD,平行才有了重合的可能;但平行也分共线和不共线,只有共线才有可能重合,看下图:

上图中,第一种情况不共线,第二种情况共线。那如何来判断是否共线呢?

我们可以在两条线段中各取一点,用这两点组成的向量与其中一条线段进行叉乘,结果若为0,就表示两线段共线,如下图:

我们取向量BC,若BC×CD = 0,表示两点共线,即是第二种情况,否则就是第一种情况。第一种情况肯定不相交。

然而,即使他们共线,却还是不一定重合,就如上图中第二种情况。这时候,之前给点排序的妙处就体现出来了:

若一条线段AB与另一条线段CD共线,且线段AB的起点小于等于线段CD的起点,但线段AB的终点(注意是终点)大于等于线段CD的起点(注意是起点),或者交换一下顺序,CD的起点小于AB的起点……只要满足其中一个,就表示有重合部分。

以上便是判断两条线段是否相交的方法。

当然,这道题说:

Note:

You can assume that two segments would not intersect at more than one point.

所以可以不用考虑共线重合的情况。

#include <iostream>
using namespace std;struct Point{
double x,y;
};
Point ps[110],pe[110];double Dir(Point ps,Point pe,Point pk)//向量a*向量b=x1y2-x2y1
{
return (pk.x-ps.x)*(ps.y-pe.y)-(ps.x-pe.x)*(pk.y-ps.y);
}
int Seg(Point p1,Point p2,Point p3,Point p4)
{
double d1,d2,d3,d4;
d1 = Dir(p1,p2,p3);
d2 = Dir(p1,p2,p4); d3 = Dir(p3,p4,p1);
d4 = Dir(p3,p4,p2); if(d1*d2<=0&&d3*d4<=0) return 1;
return 0;
}
int main()
{
int n;
double x,y;
while(cin>>n)
{
if(n==0) break;
for(int i=1;i<=n;i++)
cin>>ps[i].x>>ps[i].y>>pe[i].x>>pe[i].y;
int cnt = 0;
for(int i=1;i<=n-1;i++)
{
for(int j=i+1;j<=n;j++)
if(Seg(ps[i],pe[i],ps[j],pe[j]))
cnt++;
}
cout<<cnt<<endl;
}
return 0;
}

int Seg(Point p1,Point p2,Point p3,Point p4)
{
double d1,d2,d3,d4;
d1 = Dir(p1,p2,p3);
d2 = Dir(p1,p2,p4); d3 = Dir(p3,p4,p1);
d4 = Dir(p3,p4,p2); if(d1*d2<=0&&d3*d4<=0) return 1;
return 0;
}

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