Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Задания по МПИ 6 семестр.doc
Скачиваний:
92
Добавлен:
21.03.2015
Размер:
1.85 Mб
Скачать

8. Геометрия и теория множеств

В задачах этого раздела нельзя использовать переменные типа множества в Паскале, так как они не поддаются вводу и выводу, ограничены по мощности; для задания множеств следует использовать массивы чисел или записей.

Геометрические задачи полезно сопровождать графической иллюстрацией, при этом они «повышаются в цене» (оцениваются большим числом баллов) при условии, что соблюдено масштабирование (то есть линейное преобразование пространства, при котором площадь экрана используется наиболее эффективно), вся картинка показана вместе с системой координат, независимо от размеров «мирового пространства» (порядка обрабатываемых чисел), и нет пустого места на экране.

Кардинальной мощностью или просто мощностью card(A) конечного множества A называют число элементов в нем (предполагается, что все элементы множества различны). Все рассматриваемые множества конечны и, как правило, неупорядочены.

Расстоянием между двумя множествами геометрических точек называется наименьшее расстояние между двумя точками, принадлежащими разным множествам. Расстояние между геометрическими фигурами — это расстояние между множествами точек, составляющими эти фигуры. Очевидно, что если фигуры пересекаются, расстояние между ними равно нулю.

Проекцией точки на множество А геометрических точек называется точка из А, наименее удаленная от заданной точки.

Геометрические точки задаются своими координатами. Для материальных точек указывается еще и масса каждой точки.

Координаты центра тяжести совокупности и материальных точек или фигур находятся по формулам:

где xi,yiкоординаты i-й точки или центра тяжести i-й фигуры; — ее масса (или площадь фигуры);i = 1, 2,..., п. Центр тяжести треугольника находится в точке пересечения его медиан; для параллелограмма — в точке пересечения его диагоналей.

Площадь многоугольника на плоскости, образованного не самопересекающейся замкнутой ломаной AiA2A3... Ап, может быть найдена по формуле:

где — площадь треугольника; знак ± есть знак внутреннего угла.

Пример. Рассмотрим задачу 8.35: найти площадь и центр Тяжести фигуры, заданной матричным изображением на клетчатом поле. Решение может выглядеть следующим образом. исходные данные готовятся с помощью рандомизации. Программа снабжена графической иллюстрацией матричного |изображения фигуры и ее центра тяжести.

8.1 (9 б.) Заяц, хаотично прыгая, оставил след в виде замкнутой самопересекающейся ломаной, охватывающей территорию его владения (отрезки ломаной заданы длиной прыжка и его направлением по азимуту). Найти площадь минимального по площади выпуклого многоугольника, описанного вокруг этой территории.

8.2 (8 б.) Задано множество точек на плоскости. Найти выпуклую оболочку этого множества, то есть выпуклый многоугольник с вершинами в некоторых точках этого множества, охватывающий все его точки.

8.3 (9 б.) Задано множество точек в трехмерном пространстве. Найти его выпуклую оболочку, то есть множество плоскостей — граней многогранника наименьшего объема, содержащего все заданные точки.

Указание. Каждая грань проходит как минимум через некоторые 3 точки заданного множества.

8.4 (9 б.) Из числового множества А мощности п выбрать все подмножества, сумма элементов каждого из которых лежит в пределах от а до b.

8.5 (8 б.) Найти расстояние от заданной точки до заданного треугольника на плоскости.

(12 б.) Развитие задачи. Расстояние между двумя треугольниками на плоскости. Взаимное расположение фигур произвольно (возможно пересечение).

8.6 (7 6.) Перетекание массы. На плоскости заданы п материальных точек. С некоторого момента точка с наименьшей массой исчезает, передавая свою массу ближайшей к ней точке. Так продолжается до тех пор, пока не останется одна точка. Реализовать этот процесс и найти оставшуюся точку.

8.7 (8 б.) Выпуклый многоугольник на плоскости задан своими вершинами, расположенными в произвольном порядке. Расположить вершины в порядке обхода по часовой стрелке.

8.8 (9 б.) Пусть п прямых на плоскости, заданных своими уравнениями, разбивают всю плоскость на многоугольники. Найти вершины наименьшего по площади (или по количеству вершин) многоугольника, содержащего заданную точку А.

8.9 (5 б.) Найти расстояние между двумя заданными множествами точек на плоскости.

8.10 (6 б.) Найти площадь многоугольника (не обязательно выпуклого), заданного координатами своих вершин на плоскости в порядке обхода по или против часовой стрелки.

8.11 (7 б.) Дано 3n точек на плоскости, причем никакие три из них не лежат на одной прямой. Построить множество п треугольников с вершинами в этих точках так, чтобы никакие два треугольника не пересекались и не содержали друг друга.

8.12 (11 б.) Задано га произвольных натуральных чисел. Найти все группы по k чисел, сумма которых равна заданному числу т.

8.13 (8 б.) Найти координаты вершин многоугольника, заданного системой неравенств ax + byс, i = 1, 2,..., п.

8.14 (8 б.) Выпуклый многоугольник на плоскости задан своими вершинами в порядке обхода по часовой стрелке. Изменит ли его вид неравенство ах + by с,и если да, найти вершины нового многоугольника.

8.15 (6 б.) Найти центр тяжести выпуклого многоугольника, заданного своими вершинами в порядке обхода по часовой стрелке.

8.16 (7 б.) У выпуклого 2n-угольника, заданного координатами своих вершин на плоскости в порядке обхода по часовой стрелке, сократить вдвое число вершин, продолжив все нечетные стороны до пересечения.

8.17 (6 б.) Задано множество точек. Стянуть это множестве к его центру тяжести, уменьшая расстояние между точками в > 1 раз. Центр тяжести должен оставаться не подвижным.

8.18 (7 б.) На плоскости задано п произвольно расположении окружностей. Найти пару наименее удаленных из ню

8.19 (6 б.) Построить множество точек на плоскости, сим метричных заданному множеству относительно задан ной прямой ах + by + с = 0.

8.20 (6 б.) Из множества n-мерных векторов, заданных своими целочисленными координатами, найти пары ортогональных либо коллинеарных векторов.

8.21 (7 6.) Вершины многогранника в трехмерном пространстве пронумерованы в произвольном порядке. Каждая грань задана множеством номеров ее вершин. Найти пары вершин, образующие ребра.

8.22 (6 б.) Найти проекции каждой точки заданного множества в трехмерном пространстве на заданную прямую.

8.23 (7 б.) Две строки матрицы назовем похожими, если совпадают множества чисел, встречающихся в этих строках. Найти все пары непохожих строк в заданной матрице.

8.24 (8 б.) Даны два массива числовых множеств: А(т) и В(п). Найти все пары множеств A и B, таких, что card(AB)k(k задано).

8.25 (7 б.) Медианой множества точек на плоскости назовем прямую, которая делит множество на два подмножества одинаковой мощности. Найти горизонтальную и вертикальную медианы заданного множества, у которого никакие две точки не лежат на одной горизонтальной или вертикальной прямой.

8.26 (6 б.) Для заданного множества материальных точек найти прямую, которая делит это множество на два подмножества одинаковой мощности и относительно которой эти подмножества находятся в статическом равновесии. (Для равновесия достаточно прохождения прямой через центр тяжести всего множества.)

8.27 (8 б.) В числовом множестве А мощности п найти подмножество В мощности k такое, модуль суммы элементов которого минимален (числа в А имеют разные знаки).

(10 б.) Развитие задачи. Снять ограничение на мощность подмножества В.

8.28 (12 6.) Пусть п произвольных прямоугольников на плоскости заданы своими габаритами, то есть неравенствами:

Найти площадь фигуры, полученной объединением прямоугольников.

Указание. Применение метода Монте-Карло для решения этой задачи или вычисление площади на мелкой равномерной сетке весьма трудоемко и не обеспечивает точного результата. Можно рекомендовать формулу: — сумма площадей заданных прямоугольников,s2 — сумма площадей всех попарных пересечений, s3 — сумма всех площадей пересечений по 3 прямоугольника и т. д. Каждое пересечение прямоугольников есть также прямоугольник.

Другой подход: разбить область на неравномерную сетку прямыми и найти сумму всех «занятых» элементарных прямоугольников!

Тестирование: предусмотреть крайние случаи с очевидным результатом — непересекающиеся прямоугольники; наличие одного прямоугольника, включающего все остальные.

8.29. (7 б.) Вершины выпуклого многоугольника заданы в произвольном порядке своими координатами на плоскости. Убедиться в его выпуклости и найти периметр такого многоугольника.

8.30. (8 б.) Многоугольник на плоскости (не обязательно выпуклый) задан своими вершинами в порядке обхода по часовой стрелке. Проверить, лежит ли заданная точка А внутри или вне него.

Указание. Достаточно провести через точку А произвольную, например горизонтальную, прямую и найти точки ее пересечения с границей многоугольника. Если число таких точек, расположенных левее (или правее) точки А, четно, точка А лежит вне многоугольника (за исключением вырожденных случаев, когда прямая касается границы).

8.31. (9 б.) На клетчатом поле размером тпзадано мозаичное изображение нескольких фигур (не обязательно выпуклых). Клетки, принадлежащие разным фигурам, не соприкасаются. Найти количество фигур и площадь каждой из них.

8.32 (7 б.) Проверить тождество: A (BC) = ABAC на произвольных заданных числовых множествах А, В, С. Вывести полученное множество.

8.33 (7 б.) Для заданных множеств целых чисел А и В найти левую и правую части тождества и сравнить их: (A\B)(B\A) = (AB)\(AB).

8.34 (7 б.) Найти объединение п заданных множеств целых чисел AA2...Ап и его мощность.

8.35 (7 б.) На клетчатом поле размером тпзадано матричное изображение некоторой геометрической области (не обязательно связной). Найти площадь и центр тяжести этой области.

8.36 (7 б.) Черепашья графика. Многоугольник (не обязательно выпуклый) задан следующим образом: длина очередной стороны, угол поворота к следующей стороне (положительный или отрицательный) и т. д. Убедиться в корректности данных (замкнутости ломаной, с учетом погрешности вычислений) и вычислить площадь многоугольника.

8.37 (6 б.) Круглая оболочка. Для заданного множества точек на плоскости найти круг минимального радиуса, содержащий все эти точки.

Примечание. Либо диаметр такого круга совпадает с диаметром множества, либо соответствующая окружность проходит через некоторые 3 точки множества.

8.38 (8 б.) Треугольная оболочка. Среди заданного множества точек на плоскости выбрать 3 таких, чтобы треугольник, вершинами которого эти точки являются, содержал бы наибольшее количество точек множества.

8.39 (7 б.) Найти расстояние между заданными на плоскости треугольником и окружностью (при их произвольном взаимном расположении).