直线上最多的点数

news2024/9/19 10:50:19

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题目

给你一个数组points，其中points[i] = [xi, yi]表示X-Y平面上的一个点。求最多有多少个点在同一条直线上。

示例 1：
输入：points = [[1,1],[2,2],[3,3]]
输出：3

示例 2：
输入：points = [[1,1],[3,2],[5,3],[4,1],[2,3],[1,4]]
输出：4

1 <= points.length <= 300
points[i].length == 2
-104 <= xi, yi <= 104
points中的所有点互不相同

代码

方法一：哈希表

思路及解法

我们可以考虑枚举所有的点，假设直线经过该点时，该直线所能经过的最多的点数。

假设我们当前枚举到点 i，如果直线同时经过另外两个不同的点 j 和 k，那么可以发现点 i 和点 j 所连直线的斜率恰等于点 i 和点 k 所连直线的斜率。

于是我们可以统计其他所有点与点 i 所连直线的斜率，出现次数最多的斜率即为经过点数最多的直线的斜率，其经过的点数为该斜率出现的次数加一（点 i 自身也要被统计）。

如何记录斜率

需要注意的是，浮点数类型可能因为精度不够而无法足够精确地表示每一个斜率，因此我们需要换一种方法来记录斜率。

一般情况下，斜率可以表示为在这里插入图片描述的形式，因此我们可以用分子和分母组成的二元组来代表斜率。但注意到存在形如1/2 = 2/4 这样两个二元组不同，但实际上两分数的值相同的情况，所以我们需要将分数化简为最简分数的形式。

将分子和分母同时除以二者绝对值的最大公约数，可得二元组在这里插入图片描述。令
，则上述化简后的二元组为 (mx,my)。此外，因为分子分母可能存在负数，为了防止出现形如 −1/ 2 = 1/−2
的情况，我们还需要规定分子为非负整数，如果 my 为负数，我们将二元组中两个数同时取相反数即可。

特别地，考虑到 mx 和 my 两数其中有一个为 0 的情况（因为题目中不存在重复的点，因此不存在两数均为 0 的情况），此时两数不存在数学意义上的最大公约数，因此我们直接特判这两种情况。当 mx 为 0 时，我们令 my=1；当 my 为 0 时，我们令 mx=1 即可。

经过上述操作之后，即可得到最终的二元组 (mx,my)。在本题中，因为点的横纵坐标取值范围均为 [−10⁴,10⁴]，所以斜率 slope=
mx/my中，mx 落在区间 [−2×10⁴,2×10⁴] 内，my 落在区间 [0,2×10⁴] 内。注意到 32 位整数的范围远超这两个区间，因此我们可以用单个 32 位整型变量来表示这两个整数。具体地，我们令 val=my+(2×10⁴+1)×mx 即可。

优化

最后我们再加四个小优化：

在点的总数量小于等于 2 的情况下，我们总可以用一条直线将所有点串联，此时我们直接返回点的总数量即可；
当我们枚举到点 i 时，我们只需要考虑编号大于 i 的点到点 i 的斜率，因为如果直线同时经过编号小于点 i 的点 j，那么当我们枚举到 j 时就已经考虑过该直线了；
当我们找到一条直线经过了图中超过半数的点时，我们即可以确定该直线即为经过最多点的直线；
当我们枚举到点 i（假设编号从 0 开始）时，我们至多只能找到 n−i 个点共线。假设此前找到的共线的点的数量的最大值为 k，如果有 k≥n−i，那么此时我们即可停止枚举，因为不可能再找到更大的答案了。

class Solution {
    public int maxPoints(int[][] points) {
        int n = points.length;
        if (n <= 2) {
            return n;
        }
        int ret = 0;
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            if (ret >= n - i || ret > n / 2) {
                break;
            }
            Map<Integer, Integer> map = new HashMap<Integer, Integer>();
            for (int j = i + 1; j < n; j++) {
                int x = points[i][0] - points[j][0];
                int y = points[i][1] - points[j][1];
                if (x == 0) {
                    y = 1;
                } else if (y == 0) {
                    x = 1;
                } else {
                    if (y < 0) {
                        x = -x;
                        y = -y;
                    }
                    int gcdXY = gcd(Math.abs(x), Math.abs(y));
                    x /= gcdXY;
                    y /= gcdXY;
                }
                int key = y + x * 20001;
                map.put(key, map.getOrDefault(key, 0) + 1);
            }
            int maxn = 0;
            for (Map.Entry<Integer, Integer> entry: map.entrySet()) {
                int num = entry.getValue();
                maxn = Math.max(maxn, num + 1);
            }
            ret = Math.max(ret, maxn);
        }
        return ret;
    }

    public int gcd(int a, int b) {
        return b != 0 ? gcd(b, a % b) : a;
    }
}