Изменения

== Теорема о существовании трингуляции триангуляции ==

Доказательство ведётся индуктивно по <tex>n</tex>. При <tex>n = 3</tex> теорема тривиальна. Рассмотрим случай при <tex>n > 3</tex> и предположим, что теорема выполняется при всех <tex>m < n</tex>. Докажем существование диагонали в многоугольнике <tex>P</tex>. Возьмём самую левую по оси <tex>x</tex> вершину <tex>v</tex> многоугольника <tex>P</tex> и две смежных с ней вершины <tex>u</tex> и <tex>w</tex>. Если отрезок <tex>uw</tex> принадлежит внутренней области <tex>P</tex> — мы нашли диагональ. В противном случае, во внутренней области треугольника <tex>\Delta uwv</tex> или на самом отрезке <tex>uw</tex> содержится одна или несколько вершин <tex>P</tex>. Выберем самую из них наиболее далеко отстоящую удалённую от <tex>uw</tex> вершину <tex>v'</tex>. Отрезок, соединяющий <tex>v</tex> и <tex>v'</tex> не может пересекать сторон ребро <tex>P</tex>, поскольку в противном случае одна из вершин это отрезка этого ребра будет располагаться дальше от <tex>uw</tex>, чем <tex>v'</tex>. Это противоречит условию выбора <tex>v'</tex>. В итоге получаем, что <tex>v'v</tex> — диагональ.

Рассмотрим самую верхнюю — максимальную по оси координате <tex>y</tex> вершину. Будем идти вниз по рёбрам до самой нижней — соотвественно минимальной по <tex>y</tex> вершине, то есть таким образом, что для некоторой вершины <tex>j</tex>: <tex>y_j > y_{j+1}</tex>. '''Поворотной''' назовём вершину <tex>i</tex>, на которой направление обхода будет меняется: <tex>y_{i-1} > y_i</tex> и <tex>y_i < y_{i+1}</tex>. Опишем более подробно этот тип вершин. Уточним понятния ''выше'' и ''ниже'': точка <tex>p</tex> лежит ''ниже'' точки <tex>q</tex>, если <tex>p_y < q_y</tex> или если <tex>p_y < = q_y</tex> и <tex>p_x > q_x</tex>, соответственно точка <tex>p</tex> лежит ''выше'' точки <tex>q</tex>, если <tex>p_y > q_y</tex> или если <tex>p_y = q_y</tex> и <tex>p_x < q_x</tex>. Это было сделано для того, чтобы избежать неопределённых ситуаций с вершинами, у которых <tex>y</tex>-координаты равны.

Обозначим за <tex>\phi</tex> внутренний угол при некоторой вершине вершине и определим далее пять типов вершин, четыре из которых являются поворотными:

Многоугольник <tex>P</tex> является <tex>y</tex>-монотонным, когда если в нём отсутствуют split и merge вершины.

Предположим, что <tex>P</tex> не <tex>y</tex>-монотонный. Тогда докажем, что <tex>P</tex> содержит split и merge вершины. Поскольку <tex>P</tex> не <tex>y</tex>-монотонный, существует горизонтальная прямая <tex>l</tex> , которая пересекает его стороны более двух раз. Выберем <tex>l</tex> таким образом, чтобы самой левой компонентой пересечения <tex>l</tex> и <tex>P</tex> был бы отрезок <tex>pq</tex>. Далее будем двигаться наверх по сторонам <tex>P</tex>, начиная от точки <tex>q</tex>. В результате в некоторой точке <tex>r</tex>, где <tex>r \neq p</tex> (случай '''(a)''' на рисунке), прямая <tex>l</tex> снова пересечёт одну из сторон <tex>P</tex>. Отсюда самая высокая точка, которую мы достигли во время движения по сторонам <tex>P</tex>, будет split вершиной.

Если же <tex>r = p</tex> (случай '''(b)''' на рисунке), начём опять двигаться по сторонам <tex>P</tex> теперь уже вниз. Как и в предыдущем случае найдётся некоторая точка <tex>r'</tex>, которая будет результатом пересечения <tex>l</tex> и <tex>P</tex>. При этом <tex>r' \neq p</tex>, в противном случае <tex>l</tex> будет пересекать <tex>P</tex> только два раза, то есть что противоречит выбору <tex>Pl</tex> будет <tex>y</tex>-монотонным, что противоречит нашему предположению. Аналогично предыдущему случаю, выберем теперь самую низкую точку, которую мы достигли во время движения по сторонам P. Она будет merge вершиной.

Рассмотрим горизонтальную заметающую прямую <tex>l</tex>, перпендукулярную <tex>y</tex>-оси, будем перемещать её сверху вниз вдоль плоскости на которой лежит исходный многоугольник <tex>P</tex>. Будем останавливать её в каждой вершине многоугольника. В тот момент, когда на пути заметающей прямой встречается split или merge вершина её нужно соединить с вершиной, у которой расстояние до <tex>l</tex> минимально, при этом она должна лежать соответственно выше или ниже <tex>l</tex>.

 1) # '''''Split вершина'''''. Пусть <tex>e_j</tex> и <tex>e_k</tex> — ближайшее левое и правое ребро относительно split вершины <tex>v_i</tex>, которые <tex>l</tex> пересекает в данный момент. Нам нужно найти вершину, лежащую между <tex>e_j</tex> и <tex>e_k</tex>, наиболее приближённую к <tex>l</tex>, либо если такой точки не существет выбрать минимальную из верхних вершин <tex>e_j</tex> и <tex>e_k</tex>. Для этого будем хранить указатель на искомую вершину у левого ребра <tex>e_j</tex>, который можно заранее вычислить. Тип вершины, хранящийся в <tex>helper</tex> не имеет значения. Таким образом, чтобы построить диагональ для split вершины нужно обратиться к указателю <tex>helper(e_j)</tex> её левого ребра, которое <tex>l</tex> пересекает в данный момент. 2) # '''''Merge вершина'''''. В отличие от случая со split вершиной заранее вычислить указатель <tex>helper</tex> нельзя, поскольку merge вершина <tex>v_i</tex> должна быть соединена с вершиной, лежащей ниже заметающей прямой <tex>l</tex>. Для этого в <tex>helper(e_j)</tex> - левого относительно <tex>v_i</tex> ребра запишем саму <tex>v_i</tex>. Далее спускаем заметающую прямую вниз к следующей вершине <tex>v_m</tex>, обращаемся к <tex>helper</tex>'у её левого ребра. Проверяем, если там хранится merge вершина, строим диагональ <tex>v_{i}v_{m}</tex>. Последняя проверка осуществляется для любого типа вершины, кроме split, согласно п.1.[[Файл:Merge_case_1_2.jpg|500px|thumb|center|Обработка ''megremerge'' вершины <tex>v_i</tex>. На рисунке слева <tex>v_i</tex> записывается в качестве <tex>helper</tex>'а своего левого ребра. На правом рисунке ближайшая вершина <tex>v_m</tex> при обращении к своему левому ребру <tex>helper(e_j)</tex> находит <tex>v_i</tex> и образует диагональ <tex>v_{i}v_m</tex>]]

while Q <tex> \neq \varnothing </tex>

switch (Type_of_vertex(<tex>v_{max}</tex>)): //определение типа вершины

[[Файл:Split-merge - result.png|470px|thumb|right]]

Insert edge(<tex>v_{i}</tex>, <tex>helper(e_{ij})</tex>) in D

Остаётся доказать, что диагонали, построенные в процессе выполнения алгоритма, не попарно не пересекаются и не пересекают стороны <tex>P</tex>.

===== Оценкка Оценка работы =====Построение описанной выше приоритетной очереди <tex>Q</tex> происходит за линейное время. Когда заметающая прямая останавливается в вершине: операции с очередью занимают константу по времени, операции с деревом <tex>T</tex> на запросы и обновления требуют <tex>\mathcal{O}(\mathcal \log(n))</tex>. Добавление диагонали в <tex>D</tex> требует <tex>\mathcal{O}(1)</tex>. В итоге обработка каждой вершины требует <tex>\mathcal{O}(\log(n))</tex>, а весь алгоритм соответственно <tex>\mathcal{O}(n \log(n))</tex>. Что касается памяти, она очевидно составляет <tex>\mathcal{O}(n) </tex>. Очередь <tex>Q</tex> и дерево <tex>T</tex> занимают линейную память.

Будем рассматривать вершины многоугольника в порядке обхода. Индексирование вершин для удобства будем вести по модулю <tex>n</tex>, т.е. <tex>v_{-1} = v_{n-1}</tex> и <tex>v_0 = v_n</tex>. Если вершина <tex>v_i</tex> является ухом, построим диагональ <tex>v_{i+1}v_{i-1}</tex> и отрежем треугольник <tex>\Delta v_{i-1}v_{i}v_{i+1}</tex> от <tex>P</tex>. В противном случае переходим к следующей вершине <tex>v_{i+1}</tex> в порядке обхода.

При проверке каждой вершину следует для начала проверить, является ли она выпуклой, в противном случае её просто нет надобности рассматривать в качестве уха. Это несложно сделать, воспользовавшись [[Предикат_"левый_поворот"|левым поворотом]]. "Ушную" проверку вершины будем осуществлять алгоритмом принадлежности точки <tex>n</tex>-угольнику (в нашем случае треугольнику). В качестве поддерживаемых структур удобно хранить два DCEL, в одном котором будем строить новые диагонали, и список вершин с двойными связями, аналогичный DCEL по построению. Пример работы алгоритма (нумерация вершин задаёт порядок обхода):   [[Файл:Big example ear.jpg|700px]] ==== Псевдокод ==== DCVL D1 //список вершин doubly connected vertex list по аналогии с DCEL DCEL D2 Construct(D1); Construct(D2); vertex v = random_vertex_of(D1); while size_of(D1) <tex> \neq </tex> 3 if IsConvex(v) //проверка на выпуклость for each Vertex v_i in D1 if v_i <tex> \neq </tex> v, v.prev(), v.next() //проверка всех вершин на and v_i <tex>\in </tex> Triangle(v, v.prev(), v.next())//принадлежность треугольнику, //одной из которых отрезать вершин которого //является потенциальное ухо v. edge e = new edge(v.prev, v.next) Insert e in D2; v = v.next Delete v.prev from D1 ==== Корректность ====При нахождении каждого уха от многоугольника <tex>P</tex> отрезается треугольник, состоящий из самого уха и его двух смежных вершин. Существование ушей в свою очередь следует из теоремы, доказанной выше. В конце алгоритма, когда все ушиот <tex>P</tex> отрезаны, а в другом строить новые диагоналиостается только один треугольник. Как несложно видеть, триангуляция выстраивается корректно.

Изначально в многоугольнике содержится <tex>\mathcal{O}(n)</tex> ушей. Нетрудно понять, что в процессе отрезания ушей, смежные точки могут тоже становиться ушами. В результате триангуляции образуется <tex>n - 3</tex> диагонали, соответственно максимальное количество вершин, которые в процессе могут становиться ушами <tex>2n - 6</tex>. Итого общее количество ушей будет <tex>\mathcal{O}(n)</tex>. Определить, является ли вершина ухом можно за <tex>\mathcal{O}(n)</tex>, поскольку используется алгоритм определения принадлежности точки треугольнику — это <tex>\mathcal{O}(31)</tex>. Таким образом общий процесс отрезания ушей займёт <tex>\mathcal{O}(n^2)</tex>. Невыпуклых вершин всего <tex>\mathcal{O}(n)</tex>, каждая из них обрабатывается за константу, поэтому общее время для их обработки <tex>\mathcal{O}(n)</tex>. DCEL строится Списки рёбер и вершин строятся за линейное время, добавление ребра и удаление вершины в каждом из них работает за константу. Общее время <tex>\mathcal{O}(n^2)</tex>. Поскольку храним только два DCEL списка — память линейная. ДОПИЛЮ ЕЩЁ.