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一个圆圈可以包装多少个正方形?

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一个半径为 R 的圆可以包装多少个大小为 a × a的 正方形? __

我不需要解决方案。我只需要一个初步的想法。


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2020-07-28

共1个答案

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很抱歉写这么长的答案。我的方法是从理论最大值和保证最小值开始。解决问题时,可以使用这些值来确定所使用的算法的质量。如果您能想到一个更好的最小值,那么可以使用该最小值。

我们可以简单地使用圆的面积来定义问题的上限

Upper Limit = floor( (PI * (r pow 2)) / (L * L) )

其中L是要打包的正方形的宽度或高度,r是要打包正方形的圆的半径。我们确定这是一个上限,因为a)我们必须有离散数量的盒子,b)我们不能占用比圆的面积更多的空间。(形式上的证明将在假设我们有一个比这个多的盒子的地方起作用,然后盒子的面积之和将大于圆的面积)。

因此,有了上限,我们现在可以采用所有圈子存在的任何解决方案,并将其称为最小解决方案。

因此,让我们通过考虑我们可以放入圆内的最大正方形,来考虑一种适用于所有圆的解决方案。

您可以在圆内拟合的最大正方形在准分子上有4个点,其宽度和长度为sqrt(2) * radius(通过使用毕达哥拉斯定理,并使用半径作为较短边的长度)

因此,我们要注意的第一件事是,如果sqrt(2) * radius小于正方形的尺寸,则您无法拟合圆中的任何正方形,因为毕竟这是您可以拟合的最大正方形。

现在我们可以进行简单的计算,使用您指定的L将这个大正方形划分为规则的正方形网格,这将为我们提供至少一个解决问题的方法。因此,在此最大正方形内有一个正方形的栅格。可以放入此网格的一行中的正方形的数量是

floor((sqrt(2) * radius)/ L)

因此,此最小解决方案断言您至少可以拥有

Lower Limit = floor((sqrt(2) * radius)/ L) pow 2

圆内的平方数。

因此,如果您迷路了,我所要做的就是取一个我可以放入圆内的最大正方形,然后将尽可能多的正方形装入内部的规则网格中,以便给我至少一个解决方案。

如果您在此阶段得到的答案是0,则您无法在圆内拟合任何正方形。

现在有了理论上的最大值和绝对最小值,您可以开始尝试使用任何一种喜欢的用于打包平方的启发式算法。一种简单的算法是将圆分成几行,并在每一行中尽可能多地拟合正方形。然后,您可以将此最小值作为指导,以确保您提出了更好的解决方案。如果您想花费更多的处理能力来寻找更好的解决方案,则可以使用理论值作为您与理论值的接近程度的指导。

而且,如果您对此有所关注,则可以算出我确定的最小算法所能提供的最大和最小理论百分比。最大的正方形始终覆盖固定比例(pi /
4或我认为是圆的内部面积的大约78.5%)。因此,最大理论最小值为78.5%的覆盖率。最小非平凡(即非零)理论最小值是当您只能在最大正方形内容纳1个正方形时发生的情况,当您打包的正方形大于最大正方形的宽度和高度的一半时,就会发生这种情况适合圈子。基本上,您会用1个压缩正方形占据25%的内部正方形,这意味着您可以获得大约20%的覆盖率

2020-07-28