Цикл по спирали

Question

Другу был нужен алгоритм, который позволял бы ему проходить по элементам матрицы NxM (N и M нечетные). Я придумал решение, но я хотел посмотреть, смогут ли мои коллеги-SO предложить лучшее решение.

Я публикую свое решение в качестве ответа на этот вопрос.

Пример вывода:

Для матрицы 3x3 вывод должен быть:

(0, 0) (1, 0) (1, 1) (0, 1) (-1, 1) (-1, 0) (-1, -1) (0, -1) (1, -1)

Кроме того, алгоритм должен поддерживать неквадратные матрицы, поэтому, например, для матрицы 5x3 вывод должен быть:

(0, 0) (1, 0) (1, 1) (0, 1) (-1, 1) (-1, 0) (-1, -1) (0, -1) (1, -1) (2, -1) (2, 0) (2, 1) (-2, 1) (-2, 0) (-2, -1)

Answer 1

Вот мое решение (на Python):

def spiral(X, Y):
    x = y = 0
    dx = 0
    dy = -1
    for i in range(max(X, Y)**2):
        if (-X/2 < x <= X/2) and (-Y/2 < y <= Y/2):
            print (x, y)
            # DO STUFF...
        if x == y or (x < 0 and x == -y) or (x > 0 and x == 1-y):
            dx, dy = -dy, dx
        x, y = x+dx, y+dy

Answer 2

C ++ кто-нибудь? Быстрый перевод с питона, выложен для полноты

void Spiral( int X, int Y){
    int x,y,dx,dy;
    x = y = dx =0;
    dy = -1;
    int t = std::max(X,Y);
    int maxI = t*t;
    for(int i =0; i < maxI; i++){
        if ((-X/2 <= x) && (x <= X/2) && (-Y/2 <= y) && (y <= Y/2)){
            // DO STUFF...
        }
        if( (x == y) || ((x < 0) && (x == -y)) || ((x > 0) && (x == 1-y))){
            t = dx;
            dx = -dy;
            dy = t;
        }
        x += dx;
        y += dy;
    }
}

Answer 3

let x = 0
let y = 0
let d = 1
let m = 1

while true
  while 2 * x * d < m
    print(x, y)
    x = x + d
  while 2 * y * d < m
    print(x, y)
    y = y + d
  d = -1 * d
  m = m + 1

Было предложено много решений этой проблемы, написанных на разных языках программирования, однако все они, похоже, основаны на одном и том же замысловатом подходе. Я собираюсь рассмотреть более общую проблему вычисления спирали, которую можно выразить кратко, используя индукцию.

Базовый случай: начать с (0, 0), двигаться вперед на 1 клетку, повернуть налево, двигаться вперед на 1 клетку, повернуть налево. Шаг индукции: двигаться вперед n + 1 на квадраты, повернуть налево, двигаться вперед на n + 1 квадрат, повернуть налево.

Математическая элегантность выражения этой проблемы настоятельно предполагает, что должен быть простой алгоритм для вычисления решения. Имея в виду абстракцию, я выбрал не реализацию алгоритма на конкретном языке программирования, а псевдокод.

Сначала рассмотрим алгоритм для вычисления всего 2 итераций спирали с использованием 4 пар циклов while. Структура каждой пары похожа, но сама по себе отлична. Поначалу это может показаться сумасшедшим (некоторые циклы выполняются только один раз), но шаг за шагом я буду выполнять преобразования, пока не получим 4 пары циклов, которые идентичны и, следовательно, могут быть заменены одной парой, помещенной внутри другого цикла. Это даст нам общее решение для вычисления n итераций без использования каких-либо условий.

let x = 0
let y = 0

//RIGHT, UP
while x < 1
  print(x, y)
  x = x + 1
while y < 1
  print(x, y)
  y = y + 1

//LEFT, LEFT, DOWN, DOWN
while x > -1
  print(x, y)
  x = x - 1
while y > -1
  print(x, y)
  y = y - 1

//RIGHT, RIGHT, RIGHT, UP, UP, UP
while x < 2
  print(x, y)
  x = x + 1
while y < 2
  print(x, y)
  y = y + 1

//LEFT, LEFT, LEFT, LEFT, DOWN, DOWN, DOWN, DOWN
while x > -2
  print(x, y)
  x = x - 1
while y > -2
  print(x, y)
  y = y - 1

Первое преобразование, которое мы сделаем, - это введение новой переменной d для direction, которая содержит значение +1 или -1. Направление переключается после каждой пары петель. Поскольку мы знаем значение d во всех точках, мы можем умножить на него каждую сторону каждого неравенства, соответствующим образом скорректировать направление неравенства и упростить любые умножения d на постоянную до другой постоянной. Это оставляет нам следующее.

let x = 0
let y = 0
let d = 1

//RIGHT, UP
while x * d < 1
  print(x, y)
  x = x + d
while y * d < 1
  print(x, y)
  y = y + d
d = -1 * d

//LEFT, LEFT, DOWN, DOWN
while x * d < 1
  print(x, y)
  x = x + d
while y * d < 1
  print(x, y)
  y = y + d
d = -1 * d

//RIGHT, RIGHT, RIGHT, UP, UP, UP
while x * d < 2
  print(x, y)
  x = x + d
while y * d < 2
  print(x, y)
  y = y + d
d = -1 * d

//LEFT, LEFT, LEFT, LEFT, DOWN, DOWN, DOWN, DOWN
while x * d < 2
  print(x, y)
  x = x + d
while y * d < 2
  print(x, y)
  y = y + d

Теперь отметим, что и x * d, и RHS являются целыми числами, поэтому мы можем вычесть любое действительное значение в диапазоне от 0 до 1 из RHS, не влияя на результат неравенства. Мы решили вычесть 0.5 из неравенств любой другой пары циклов while, чтобы установить больше паттернов.

let x = 0
let y = 0
let d = 1

//RIGHT, UP
while x * d < 0.5
  print(x, y)
  x = x + d
while y * d < 0.5
  print(x, y)
  y = y + d
d = -1 * d

//LEFT, LEFT, DOWN, DOWN
while x * d < 1
  print(x, y)
  x = x + d
while y * d < 1
  print(x, y)
  y = y + d
d = -1 * d

//RIGHT, RIGHT, RIGHT, UP, UP, UP
while x * d < 1.5
  print(x, y)
  x = x + d
while y * d < 1.5
  print(x, y)
  y = y + d
d = -1 * d

//LEFT, LEFT, LEFT, LEFT, DOWN, DOWN, DOWN, DOWN
while x * d < 2
  print(x, y)
  x = x + d
while y * d < 2
  print(x, y)
  y = y + d

Теперь мы можем ввести другую переменную m для количества шагов, которые мы предпринимаем в каждой паре циклов while.

let x = 0
let y = 0
let d = 1
let m = 0.5

//RIGHT, UP
while x * d < m
  print(x, y)
  x = x + d
while y * d < m
  print(x, y)
  y = y + d
d = -1 * d
m = m + 0.5

//LEFT, LEFT, DOWN, DOWN
while x * d < m
  print(x, y)
  x = x + d
while y * d < m
  print(x, y)
  y = y + d
d = -1 * d
m = m + 0.5

//RIGHT, RIGHT, RIGHT, UP, UP, UP
while x * d < m
  print(x, y)
  x = x + d
while y * d < m
  print(x, y)
  y = y + d
d = -1 * d
m = m + 0.5

//LEFT, LEFT, LEFT, LEFT, DOWN, DOWN, DOWN, DOWN
while x * d < m
  print(x, y)
  x = x + d
while y * d < m
  print(x, y)
  y = y + d

Наконец, мы видим, что структура каждой пары циклов while идентична и может быть сведена к одному циклу, помещенному внутри другого цикла. Кроме того, чтобы избежать использования вещественных чисел, я умножил начальное значение m; значение m увеличивается на; и обе стороны каждого неравенства на 2.

Это приводит к решению, показанному в начале этого ответа.

Answer 4

Я люблю генераторы Python.

def spiral(N, M):
    x,y = 0,0   
    dx, dy = 0, -1

    for dumb in xrange(N*M):
        if abs(x) == abs(y) and [dx,dy] != [1,0] or x>0 and y == 1-x:  
            dx, dy = -dy, dx            # corner, change direction

        if abs(x)>N/2 or abs(y)>M/2:    # non-square
            dx, dy = -dy, dx            # change direction
            x, y = -y+dx, x+dy          # jump

        yield x, y
        x, y = x+dx, y+dy

Тестирование с:

print 'Spiral 3x3:'
for a,b in spiral(3,3):
    print (a,b),

print '\n\nSpiral 5x3:'
for a,b in spiral(5,3):
    print (a,b),

Вы получаете:

Spiral 3x3:
(0, 0) (1, 0) (1, 1) (0, 1) (-1, 1) (-1, 0) (-1, -1) (0, -1) (1, -1) 

Spiral 5x3:
(0, 0) (1, 0) (1, 1) (0, 1) (-1, 1) (-1, 0) (-1, -1) (0, -1) (1, -1) (2, -1) (2, 0) (2, 1) (-2, 1) (-2, 0) (-2, -1)

Answer 5

Вот решение O (1), чтобы найти положение в квадрате спирали: Скрипка

function spiral(n) {
    // given n an index in the squared spiral
    // p the sum of point in inner square
    // a the position on the current square
    // n = p + a

    var r = Math.floor((Math.sqrt(n + 1) - 1) / 2) + 1;

    // compute radius : inverse arithmetic sum of 8+16+24+...=
    var p = (8 * r * (r - 1)) / 2;
    // compute total point on radius -1 : arithmetic sum of 8+16+24+...

    var en = r * 2;
    // points by face

    var a = (1 + n - p) % (r * 8);
    // compute de position and shift it so the first is (-r,-r) but (-r+1,-r)
    // so square can connect

    var pos = [0, 0, r];
    switch (Math.floor(a / (r * 2))) {
        // find the face : 0 top, 1 right, 2, bottom, 3 left
        case 0:
            {
                pos[0] = a - r;
                pos[1] = -r;
            }
            break;
        case 1:
            {
                pos[0] = r;
                pos[1] = (a % en) - r;

            }
            break;
        case 2:
            {
                pos[0] = r - (a % en);
                pos[1] = r;
            }
            break;
        case 3:
            {
                pos[0] = -r;
                pos[1] = r - (a % en);
            }
            break;
    }
    console.log("n : ", n, " r : ", r, " p : ", p, " a : ", a, "  -->  ", pos);
    return pos;
}

Answer 6

Java-спираль "Code golf" попытка, основанная на варианте C ++.

public static void Spiral(int X, int Y) {
    int x=0, y=0, dx = 0, dy = -1;
    int t = Math.max(X,Y);
    int maxI = t*t;

    for (int i=0; i < maxI; i++){
        if ((-X/2 <= x) && (x <= X/2) && (-Y/2 <= y) && (y <= Y/2)) {
            System.out.println(x+","+y);
            //DO STUFF
        }

        if( (x == y) || ((x < 0) && (x == -y)) || ((x > 0) && (x == 1-y))) {
            t=dx; dx=-dy; dy=t;
        }   
        x+=dx; y+=dy;
    }
}

Answer 7

Вот решение C ++, которое показывает, что вы можете легко и просто рассчитать следующие (x, y) координаты из предыдущих - не нужно отслеживать текущее направление, радиус или что-либо еще:

void spiral(const int M, const int N)
{
    // Generate an Ulam spiral centered at (0, 0).
    int x = 0;
    int y = 0;

    int end = max(N, M) * max(N, M);
    for(int i = 0; i < end; ++i)
    {
        // Translate coordinates and mask them out.
        int xp = x + N / 2;
        int yp = y + M / 2;
        if(xp >= 0 && xp < N && yp >= 0 && yp < M)
            cout << xp << '\t' << yp << '\n';

        // No need to track (dx, dy) as the other examples do:
        if(abs(x) <= abs(y) && (x != y || x >= 0))
            x += ((y >= 0) ? 1 : -1);
        else
            y += ((x >= 0) ? -1 : 1);
    }
}

Если все, что вы пытаетесь сделать, - это сгенерировать первые N точек на спирали (без ограничения маскирования исходной задачи на область N x M), код становится очень простым:

void spiral(const int N)
{
    int x = 0;
    int y = 0;
    for(int i = 0; i < N; ++i)
    {
        cout << x << '\t' << y << '\n';
        if(abs(x) <= abs(y) && (x != y || x >= 0))
            x += ((y >= 0) ? 1 : -1);
        else
            y += ((x >= 0) ? -1 : 1);
    }
}

Хитрость в том, что вы можете сравнить x и y, чтобы определить, на какой стороне квадрата вы находитесь, и это говорит вам, в каком направлении двигаться.

Answer 8

TDD, на Java.

SpiralTest.java:

import java.awt.Point;
import java.util.List;

import junit.framework.TestCase;

public class SpiralTest extends TestCase {

    public void test3x3() throws Exception {
        assertEquals("(0, 0) (1, 0) (1, 1) (0, 1) (-1, 1) (-1, 0) (-1, -1) (0, -1) (1, -1)", strung(new Spiral(3, 3).spiral()));
    }

    public void test5x3() throws Exception {
        assertEquals("(0, 0) (1, 0) (1, 1) (0, 1) (-1, 1) (-1, 0) (-1, -1) (0, -1) (1, -1) (2, -1) (2, 0) (2, 1) (-2, 1) (-2, 0) (-2, -1)",
                strung(new Spiral(5, 3).spiral()));
    }

    private String strung(List<Point> points) {
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        for (Point point : points)
            sb.append(strung(point));
        return sb.toString().trim();
    }

    private String strung(Point point) {
        return String.format("(%s, %s) ", point.x, point.y);
    }

}

Spiral.java:

import java.awt.Point;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class Spiral {
    private enum Direction {
    E(1, 0) {Direction next() {return N;}},
    N(0, 1) {Direction next() {return W;}},
    W(-1, 0) {Direction next() {return S;}},
    S(0, -1) {Direction next() {return E;}},;

        private int dx;
        private int dy;

        Point advance(Point point) {
            return new Point(point.x + dx, point.y + dy);
        }

        abstract Direction next();

        Direction(int dx, int dy) {
            this.dx = dx;
            this.dy = dy;
        }
    };
    private final static Point ORIGIN = new Point(0, 0);
    private final int   width;
    private final int   height;
    private Point       point;
    private Direction   direction   = Direction.E;
    private List<Point> list = new ArrayList<Point>();

    public Spiral(int width, int height) {
        this.width = width;
        this.height = height;
    }

    public List<Point> spiral() {
        point = ORIGIN;
        int steps = 1;
        while (list.size() < width * height) {
            advance(steps);
            advance(steps);
            steps++;
        }
        return list;
    }

    private void advance(int n) {
        for (int i = 0; i < n; ++i) {
            if (inBounds(point))
                list.add(point);
            point = direction.advance(point);
        }
        direction = direction.next();
    }

    private boolean inBounds(Point p) {
        return between(-width / 2, width / 2, p.x) && between(-height / 2, height / 2, p.y);
    }

    private static boolean between(int low, int high, int n) {
        return low <= n && n <= high;
    }
}

Answer 9

Вот мое решение (в рубине)

def spiral(xDim, yDim)
   sx = xDim / 2
   sy = yDim / 2

   cx = cy = 0
   direction = distance = 1

   yield(cx,cy)
   while(cx.abs <= sx || cy.abs <= sy)
      distance.times { cx += direction; yield(cx,cy) if(cx.abs <= sx && cy.abs <= sy); } 
      distance.times { cy += direction; yield(cx,cy) if(cx.abs <= sx && cy.abs <= sy); } 
      distance += 1
      direction *= -1
   end
end

spiral(5,3) { |x,y|
   print "(#{x},#{y}),"
}

Answer 10

Хаскелл, выбирай:

spiral x y = (0, 0) : concatMap ring [1 .. max x' y'] where
    ring n | n > x' = left x' n  ++ right x' (-n)
    ring n | n > y' = up   n  y' ++ down (-n) y'
    ring n          = up n n ++ left n n ++ down n n ++ right n n
    up    x y = [(x, n) | n <- [1-y .. y]]; down = (.) reverse . up
    right x y = [(n, y) | n <- [1-x .. x]]; left = (.) reverse . right
    (x', y') = (x `div` 2, y `div` 2)

spiral x y = filter (\(x',y') -> 2*abs x' <= x && 2*abs y' <= y) .
             scanl (\(a,b) (c,d) -> (a+c,b+d)) (0,0) $
             concat [ (:) (1,0) . tail 
                    $ concatMap (replicate n) [(0,1),(-1,0),(0,-1),(1,0)]
                    | n <- [2,4..max x y] ]