一、最大子矩阵问题

在一个给定的矩形中有一些障碍点,找出内部不包含障碍点的、轮廓与整个矩形平行或重合的最大子矩形。

二、定义子矩形

有效子矩形:内部不包含障碍点的、轮廓与整个矩形平行或重合的子矩形。

极大子矩形:每条边都不能向外扩展的有效子矩形。

最大子矩形:所有有效子矩形中最大的一个(或多个)。

三、极大化思想

在一个有障碍点的矩形中最大子矩形一定是极大子矩形。

设计算法的思路:枚举所有的极大子矩形,找到最大子矩形。

设NM分别为整个矩形的长和宽,S为内部的障碍点数。
 

四、基本思想

【算法1】

时间复杂度:O(S^2) 空间复杂度:O(S)

由于极大子矩形的每一条边都不能向外扩展,那么极大子矩阵的每条边要么覆盖了障碍点,要么与整个矩形的边界重合

基本算法:枚举上下左右四个边界,然后判断组成的矩形是否是有效子矩形。

复杂度:O(S^5)  可以改进的地方:产生了大量的无效子矩形。

初步改进的算法:枚举左右边界,然后对处在边界内的点排序,每两个相邻的点和左右边界组成一个矩形。

复杂度:O(S^3) 可以改进的地方:枚举了部分不是极大子矩形的情况。

综上,设计算法的方向:

1、保证每一个枚举的矩形都是有效的。

2、保证每一个枚举的矩形都是极大的。

算法的过程:

枚举极大子矩形的左边界——>根据确定的左边界,找出相关的极大子矩形——>检查和处理遗漏的情况

(1)按照横坐标从小到大的顺序将所有的点编号为1,2,3...

(2)首先选取1号点作为要枚举的极大子矩形的左边界,设定上下边界为矩形的上下边界

(3)从左到右扫描,第一次到2号点,确定一个极大子矩形,修改上下边界;第二次找到3号点,以此类推。

(4)将左边界移动到2号点,3号点,,,以同样的方法枚举

遗漏的情况:

1、矩形的左边界与整个矩形的左边界重合。解决方法:用类似的方法从左到右扫一遍

2、矩形的左边界与整个矩形的左边界重合,且矩形的右边界与整个矩形的右边界重合。解决方法:预处理时增加特殊判断。

优点:利用的极大化思想,复杂度可以接受,编程实现简单。

缺点:使用有一定的局限性,不适合障碍点较密集的情况。

 

 

 

 

 

 

s为障碍点总数。

枚举一个障碍点作为左边界O(s),然后不断向后扫得到极大子矩形O(s),总复杂度为O(s^2)。

当1障碍点数较小时,可以使用算法1。


 

【算法2】

时间复杂度O(NM) 空间复杂度O(NM)

定义

有效竖线:除了两个端点外,不覆盖任何一个障碍点的竖直线段。

悬线:上端覆盖了一个障碍点或者到达整个矩形上边界的有效线段。

每个悬线都与它底部的点一一对应,矩形中的每一个点(矩形顶部的点除外)都对应了一个悬线。

悬线的个数=(N-1)*M;

如果把一个极大子矩形按照横坐标的不同切割成多个与y轴平行的线段,那么其中至少有一个悬线。

如果把一个悬线向左右两个方向尽可能的移动,那么就得到了一个矩形,我们称它为悬线对应的矩形。

悬线对应的矩形不一定是极大子矩形,因为下边界可能还可以向下扩展。

设计算法:

原理:所有悬线对应矩形的集合一定包含了极大子矩形的集合。通过枚举所有的悬线,找出所有的极大子矩形。

算法规模:

悬线个数=(N-1)×M

极大子矩形个数≤悬线个数

具体方法:

设 H[i,j]为点(i,j)对应的悬线的长度。

 L[i,j]为点(i,j)对应的悬线向左最多能够移动到的位置。

R[i,j]为点(i,j)对应的悬线向右最多能够移动到的位置。

!考虑点(i,j)对应的悬线与点(i-1,j)对应的悬线的关系(递推思想):

如果(i-1,j)为障碍点,那么,如图所示,(i,j)对应的悬线长度1,左右能移动到的位置是整个矩形的左右边界。
即 H[i,j]=1,
   L[i,j]=0,R[i,j]=m

如果(i-1,j)不是障碍点,那么,如图所示,(i,j)对应的悬线长度为(i-1,j)对应的悬线长度+1。
即 H[i,j]=H[i-1,j]+1

•如果(i-1,j)不是障碍点,那么,如图所示,(i,j)对应的悬线左右能移动的位置要在(i-1,j)的基础上变化。
                    L[i-1,j]
L[i,j]=max
                    (i-1,j)左边第一个障碍点的位置        
•同理,也可以得到R[i,j]的递推式
                        R[i-1,j]
     R[i,j]=min    
                        (i-1,j)右边第一个障碍点的位置                            

优点: 复杂度与障碍点个数没有直接关系。

缺点:障碍点少时处理较复杂,不如算法1。

 

 

 

当障碍点较多,n*m较小时,可以用悬线法。

时间复杂度为O(n*m)。

五、例题

https://www.luogu.org/problemnew/show/P1169(题解:https://blog.csdn.net/weixin_43272781/article/details/88061944

 

 

参考文章

https://blog.csdn.net/Clove_unique/article/details/50512624