\chapter{Sweep line}

\index{pyyhkxisyviiva@pyyhkäisyviiva}

\key{Pyyhkäisyviiva} on tason halki kulkeva viiva,
jonka avulla voi ratkaista useita geometrisia tehtäviä.
Ideana on esittää tehtävä joukkona tapahtumia,
jotka vastaavat tason pisteitä.
Kun pyyhkäisyviiva törmää pisteeseen,
tapahtuma käsitellään ja tehtävän ratkaisu edistyy.

Tarkastellaan esimerkkinä tekniikan
käyttämisestä tehtävää,
jossa yrityksessä on töissä $n$ henkilöä
ja jokaisesta henkilöstä tiedetään,
milloin hän tuli töihin ja lähti töistä
tiettynä päivänä.
Tehtävänä on laskea,
mikä on suurin määrä henkilöitä,
jotka olivat samaan aikaan töissä.

Tehtävän voi ratkaista mallintamalla tilanteen
niin, että jokaista henkilöä vastaa kaksi tapahtumaa:
tuloaika töihin ja lähtöaika töistä.
Pyyhkäisyviiva käy läpi tapahtumat aikajärjestyksessä
ja pitää kirjaa, montako henkilöä oli töissä milloinkin.
Esimerkiksi tilannetta
\begin{center}
\begin{tabular}{ccc}
henkilö & tuloaika & lähtöaika \\
\hline
Uolevi & 10 & 15 \\
Maija & 6 & 12 \\
Kaaleppi & 14 & 16 \\
Liisa & 5 & 13 \\
\end{tabular}
\end{center}
vastaavat seuraavat tapahtumat:
\begin{center}
\begin{tikzpicture}[scale=0.6]
\draw (0,0) rectangle (17,-6.5);
\path[draw,thick,-] (10,-1) -- (15,-1);
\path[draw,thick,-] (6,-2.5) -- (12,-2.5);
\path[draw,thick,-] (14,-4) -- (16,-4);
\path[draw,thick,-] (5,-5.5) -- (13,-5.5);

\draw[fill] (10,-1) circle [radius=0.05];
\draw[fill] (15,-1) circle [radius=0.05];
\draw[fill] (6,-2.5) circle [radius=0.05];
\draw[fill] (12,-2.5) circle [radius=0.05];
\draw[fill] (14,-4) circle [radius=0.05];
\draw[fill] (16,-4) circle [radius=0.05];
\draw[fill] (5,-5.5) circle [radius=0.05];
\draw[fill] (13,-5.5) circle [radius=0.05];

\node at (2,-1) {Uolevi};
\node at (2,-2.5) {Maija};
\node at (2,-4) {Kaaleppi};
\node at (2,-5.5) {Liisa};
\end{tikzpicture}
\end{center}
Pyyhkäisyviiva käy läpi tapahtumat vasemmalta oikealle
ja pitää yllä laskuria.
Aina kun henkilö tulee töihin, laskurin arvo
kasvaa yhdellä, ja kun henkilö lähtee töistä,
laskurin arvo vähenee yhdellä.
Tehtävän ratkaisu on suurin laskuri arvo
pyyhkäisyviivan kulun aikana.

Pyyhkäisyviiva kulkee seuraavasti tason halki:
\begin{center}
\begin{tikzpicture}[scale=0.6]
\path[draw,thick,->] (0.5,0.5) -- (16.5,0.5);
\draw (0,0) rectangle (17,-6.5);
\path[draw,thick,-] (10,-1) -- (15,-1);
\path[draw,thick,-] (6,-2.5) -- (12,-2.5);
\path[draw,thick,-] (14,-4) -- (16,-4);
\path[draw,thick,-] (5,-5.5) -- (13,-5.5);

\draw[fill] (10,-1) circle [radius=0.05];
\draw[fill] (15,-1) circle [radius=0.05];
\draw[fill] (6,-2.5) circle [radius=0.05];
\draw[fill] (12,-2.5) circle [radius=0.05];
\draw[fill] (14,-4) circle [radius=0.05];
\draw[fill] (16,-4) circle [radius=0.05];
\draw[fill] (5,-5.5) circle [radius=0.05];
\draw[fill] (13,-5.5) circle [radius=0.05];

\node at (2,-1) {Uolevi};
\node at (2,-2.5) {Maija};
\node at (2,-4) {Kaaleppi};
\node at (2,-5.5) {Liisa};

\path[draw,dashed] (10,0)--(10,-6.5);
\path[draw,dashed] (15,0)--(15,-6.5);
\path[draw,dashed] (6,0)--(6,-6.5);
\path[draw,dashed] (12,0)--(12,-6.5);
\path[draw,dashed] (14,0)--(14,-6.5);
\path[draw,dashed] (16,0)--(16,-6.5);
\path[draw,dashed] (5,0)--(5,-6.5);
\path[draw,dashed] (13,0)--(13,-6.5);

\node at (10,-7) {$+$};
\node at (15,-7) {$-$};
\node at (6,-7) {$+$};
\node at (12,-7) {$-$};
\node at (14,-7) {$+$};
\node at (16,-7) {$-$};
\node at (5,-7) {$+$};
\node at (13,-7) {$-$};

\node at (10,-8) {$3$};
\node at (15,-8) {$1$};
\node at (6,-8) {$2$};
\node at (12,-8) {$2$};
\node at (14,-8) {$2$};
\node at (16,-8) {$0$};
\node at (5,-8) {$1$};
\node at (13,-8) {$1$};
\end{tikzpicture}
\end{center}
Kuvan alareunan merkinnät $+$ ja $-$
tarkoittavat, että laskurin arvo kasvaa
ja vähenee yhdellä.
Niiden alapuolella on laskurin uusi arvo.
Laskurin suurin arvo 3 on voimassa 
Uolevi tulohetken ja Maijan lähtöhetken välillä.

Ratkaisun aikavaativuus on $O(n \log n)$,
koska tapahtumien järjestäminen vie aikaa $O(n \log n)$
ja pyyhkäisyviivan läpikäynti vie aikaa $O(n)$.

\section{Janojen leikkauspisteet}

\index{leikkauspiste@leikkauspiste}

Annettuna on $n$ janaa, joista jokainen
on vaaka- tai pystysuuntainen.
Tehtävänä on laskea tehokkaasti, monessako pisteessä
kaksi janaa leikkaavat toisensa.
Esimerkiksi tilanteessa
\begin{center}
\begin{tikzpicture}[scale=0.5]
\path[draw,thick,-] (0,2) -- (5,2);
\path[draw,thick,-] (1,4) -- (6,4);
\path[draw,thick,-] (6,3) -- (10,3);
\path[draw,thick,-] (2,1) -- (2,6);
\path[draw,thick,-] (8,2) -- (8,5);
\end{tikzpicture}
\end{center}
leikkauspisteitä on kolme:
\begin{center}
\begin{tikzpicture}[scale=0.5]
\path[draw,thick,-] (0,2) -- (5,2);
\path[draw,thick,-] (1,4) -- (6,4);
\path[draw,thick,-] (6,3) -- (10,3);
\path[draw,thick,-] (2,1) -- (2,6);
\path[draw,thick,-] (8,2) -- (8,5);

\draw[fill] (2,2) circle [radius=0.15];
\draw[fill] (2,4) circle [radius=0.15];
\draw[fill] (8,3) circle [radius=0.15];

\end{tikzpicture}
\end{center}


Tehtävä on helppoa ratkaista ajassa $O(n^2)$,
koska riittää käydä läpi kaikki mahdolliset janaparit
ja tarkistaa, moniko leikkaa toisiaan.
Seuraavaksi ratkaisemme tehtävän
ajassa $O(n \log n)$ pyyhkäisyviivan avulla.

Ideana on luoda janoista kolmenlaisia tapahtumia:
\begin{enumerate}[noitemsep]
\item[(1)] vaakajana alkaa
\item[(2)] vaakajana päättyy
\item[(3)] pystyjana
\end{enumerate}

Esimerkkitilannetta vastaava pistejoukko on seuraava:
\begin{center}
\begin{tikzpicture}[scale=0.6]
\path[draw,dashed] (0,2) -- (5,2);
\path[draw,dashed] (1,4) -- (6,4);
\path[draw,dashed] (6,3) -- (10,3);
\path[draw,dashed] (2,1) -- (2,6);
\path[draw,dashed] (8,2) -- (8,5);

\node at (0,2) {$1$};
\node at (5,2) {$2$};
\node at (1,4) {$1$};
\node at (6,4) {$2$};
\node at (6,3) {$1$};
\node at (10,3) {$2$};

\node at (2,3.5) {$3$};
\node at (8,3.5) {$3$};
\end{tikzpicture}
\end{center}

Algoritmi käy läpi pisteet vasemmalta oikealle
ja pitää yllä tietorakennetta y-koordinaateista,
joissa on tällä hetkellä aktiivinen vaakajana.
Tapahtuman 1 kohdalla vaakajanan y-koordinaatti
lisätään joukkoon ja tapahtuman 2 kohdalla
vaakajanan y-koordinaatti poistetaan joukosta.

Algoritmi laskee janojen leikkauspisteet
tapahtumien 3 kohdalla.
Kun pystyjana kulkee y-koordinaattien
$y_1 \ldots y_2$ välillä,
algoritmi laskee tietorakenteesta,
monessako vaakajanassa on y-koordinaatti
välillä $y_1 \ldots y_2$ ja kasvattaa
leikkauspisteiden määrää tällä arvolla.

Sopiva tietorakenne vaakajanojen y-koordinaattien
tallentamiseen on bi\-nää\-ri-indeksipuu tai segmenttipuu,
johon on tarvittaessa yhdistetty indeksien pakkaus.
Tällöin jokaisen pisteen käsittely
vie aikaa $O(\log n)$, joten algoritmin
kokonaisaikavaativuus on $O(n \log n)$.

\section{Lähin pistepari}

\index{lzhin pistepari@lähin pistepari}

Seuraava tehtävämme on etsiä $n$ pisteen
joukosta kaksi pistettä, jotka ovat
mahdollisimman lähellä toisiaan.
Esimerkiksi tilanteessa
\begin{center}
\begin{tikzpicture}[scale=0.7]
\draw (0,0)--(12,0)--(12,4)--(0,4)--(0,0);

\draw (1,2) circle [radius=0.1];
\draw (3,1) circle [radius=0.1];
\draw (4,3) circle [radius=0.1];
\draw (5.5,1.5) circle [radius=0.1];
\draw (6,2.5) circle [radius=0.1];
\draw (7,1) circle [radius=0.1];
\draw (9,1.5) circle [radius=0.1];
\draw (10,2) circle [radius=0.1];
\draw (1.5,3.5) circle [radius=0.1];
\draw (1.5,1) circle [radius=0.1];
\draw (2.5,3) circle [radius=0.1];
\draw (4.5,1.5) circle [radius=0.1];
\draw (5.25,0.5) circle [radius=0.1];
\draw (6.5,2) circle [radius=0.1];
\end{tikzpicture}
\end{center}
\begin{samepage}
lähin pistepari on seuraava:
\begin{center}
\begin{tikzpicture}[scale=0.7]
\draw (0,0)--(12,0)--(12,4)--(0,4)--(0,0);

\draw (1,2) circle [radius=0.1];
\draw (3,1) circle [radius=0.1];
\draw (4,3) circle [radius=0.1];
\draw (5.5,1.5) circle [radius=0.1];
\draw[fill] (6,2.5) circle [radius=0.1];
\draw (7,1) circle [radius=0.1];
\draw (9,1.5) circle [radius=0.1];
\draw (10,2) circle [radius=0.1];
\draw (1.5,3.5) circle [radius=0.1];
\draw (1.5,1) circle [radius=0.1];
\draw (2.5,3) circle [radius=0.1];
\draw (4.5,1.5) circle [radius=0.1];
\draw (5.25,0.5) circle [radius=0.1];
\draw[fill] (6.5,2) circle [radius=0.1];
\end{tikzpicture}
\end{center}
\end{samepage}

Tämäkin tehtävä ratkeaa
$O(n \log n)$-ajassa pyyhkäisyviivan avulla.
Algoritmi käy pisteet läpi vasemmalta oikealle
ja pitää yllä arvoa $d$,
joka on pienin kahden
pisteen etäisyys.
Kunkin pisteen kohdalla algoritmi
etsii lähimmän toisen pisteen vasemmalta.
Jos etäisyys tähän pisteeseen on alle $d$,
tämä on uusi pienin kahden pisteen etäisyys
ja algoritmi päivittää $d$:n arvon.

Jos käsiteltävä piste on $(x,y)$
ja jokin vasemmalla oleva piste on
alle $d$:n etäisyydellä,
sen x-koordinaatin
tulee olla välillä $[x-d,x]$
ja y-koordinaatin tulee olla välillä $[y-d,y+d]$.
Algoritmin riittää siis tarkistaa
ainoastaan pisteet, jotka osuvat tälle välille,
mikä tehostaa hakua merkittävästi.

Esimerkiksi seuraavassa kuvassa
katkoviiva-alue sisältää pisteet,
jotka voivat olla alle $d$:n etäisyydellä
tummennetusta pisteestä.
\\
\begin{center}
\begin{tikzpicture}[scale=0.7]
\draw (0,0)--(12,0)--(12,4)--(0,4)--(0,0);

\draw (1,2) circle [radius=0.1];
\draw (3,1) circle [radius=0.1];
\draw (4,3) circle [radius=0.1];
\draw (5.5,1.5) circle [radius=0.1];
\draw (6,2.5) circle [radius=0.1];
\draw (7,1) circle [radius=0.1];
\draw (9,1.5) circle [radius=0.1];
\draw (10,2) circle [radius=0.1];
\draw (1.5,3.5) circle [radius=0.1];
\draw (1.5,1) circle [radius=0.1];
\draw (2.5,3) circle [radius=0.1];
\draw (4.5,1.5) circle [radius=0.1];
\draw (5.25,0.5) circle [radius=0.1];
\draw[fill] (6.5,2) circle [radius=0.1];

\draw[dashed] (6.5,0.75)--(6.5,3.25);
\draw[dashed] (5.25,0.75)--(5.25,3.25);
\draw[dashed] (5.25,0.75)--(6.5,0.75);
\draw[dashed] (5.25,3.25)--(6.5,3.25);

\draw [decoration={brace}, decorate, line width=0.3mm] (5.25,3.5) -- (6.5,3.5);
\node at (5.875,4) {$d$};
\draw [decoration={brace}, decorate, line width=0.3mm] (6.75,3.25) -- (6.75,2);
\node at (7.25,2.625) {$d$};
\end{tikzpicture}
\end{center}

Algoritmin tehokkuus perustuu siihen,
että $d$:n rajoittamalla alueella
on aina vain $O(1)$ pistettä.
Nämä pisteet pystyy käymään läpi
$O(\log n)$-aikaisesti
pitämällä algoritmin aikana yllä joukkoa pisteistä,
joiden x-koordinaatti on välillä $[x-d,x]$
ja jotka on järjestetty y-koordinaatin mukaan.

Algoritmin aikavaativuus on $O(n \log n)$,
koska se käy läpi $n$ pistettä
ja etsii jokaiselle lähimmän
edeltävän pisteen ajassa $O(\log n)$.

\section{Konveksi peite}

\key{Konveksi peite}
on pienin konveksi monikulmio,
joka ympäröi kaikki pistejoukon pisteet.
Konveksius tarkoittaa,
että minkä tahansa kahden kärkipisteen välinen jana
kulkee monikulmion sisällä.
Hyvä mielikuva asiasta on,
että pistejoukko ympäröidään tiukasti
viritetyllä narulla.

\begin{samepage}
Esimerkiksi pistejoukon
\begin{center}
\begin{tikzpicture}[scale=0.7]
\draw (0,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,-1) circle [radius=0.1];
\draw (7,1) circle [radius=0.1];
\draw (6,3) circle [radius=0.1];
\draw (2,4) circle [radius=0.1];
\draw (0,2) circle [radius=0.1];

\draw (1,1) circle [radius=0.1];
\draw (2,2) circle [radius=0.1];
\draw (3,2) circle [radius=0.1];
\draw (4,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,3) circle [radius=0.1];
\draw (5,2) circle [radius=0.1];
\draw (6,1) circle [radius=0.1];
\end{tikzpicture}
\end{center}
\end{samepage}
konveksi peite on seuraava:
\begin{center}
\begin{tikzpicture}[scale=0.7]
\draw (0,0)--(4,-1)--(7,1)--(6,3)--(2,4)--(0,2)--(0,0);

\draw (0,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,-1) circle [radius=0.1];
\draw (7,1) circle [radius=0.1];
\draw (6,3) circle [radius=0.1];
\draw (2,4) circle [radius=0.1];
\draw (0,2) circle [radius=0.1];

\draw (1,1) circle [radius=0.1];
\draw (2,2) circle [radius=0.1];
\draw (3,2) circle [radius=0.1];
\draw (4,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,3) circle [radius=0.1];
\draw (5,2) circle [radius=0.1];
\draw (6,1) circle [radius=0.1];
\end{tikzpicture}
\end{center}

\index{Andrew'n algoritmi}

Tehokas ja helposti toteutettava menetelmä
konveksin peitteen muodostamiseen
on \key{Andrew'n algoritmi},
jonka aikavaativuus on $O(n \log n)$.
Algoritmi muodostaa konveksin peitteen kahdessa
osassa: ensin peitteen yläosan ja sitten peitteen alaosan.
Kummankin osan muodostaminen tapahtuu samalla tavalla,
minkä vuoksi voimme keskittyä yläosan muodostamiseen.

Algoritmi järjestää ensin pisteet ensisijaisesti x-koordinaatin
ja toissijaisesti y-koordinaatin mukaan.
Tämän jälkeen se käy pisteet läpi järjestyksessä
ja lisää aina uuden pisteen osaksi peitettä.
Aina pisteen lisäämisen jälkeen algoritmi tarkastaa
ristitulon avulla,
muodostavatko kolme viimeistä pistettä peitteessä
vasemmalle kääntyvän osan.
Jos näin on,
algoritmi poistaa näistä keskimmäisen pisteen.
Tämän jälkeen algoritmi tarkastaa uudestaan
kolme viimeistä pistettä ja poistaa taas tarvittaessa
keskimmäisen pisteen.
Sama jatkuu, kunnes kolme viimeistä pistettä
eivät muodosta vasemmalle kääntyvää osaa.

Seuraava kuvasarja esittää Andrew'n algoritmin toimintaa:
\\
\begin{tabular}{ccccccc}
\\
\begin{tikzpicture}[scale=0.3]
\draw (-1,-2)--(8,-2)--(8,5)--(-1,5)--(-1,-2);
\draw (0,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,-1) circle [radius=0.1];
\draw (7,1) circle [radius=0.1];
\draw (6,3) circle [radius=0.1];
\draw (2,4) circle [radius=0.1];
\draw (0,2) circle [radius=0.1];

\draw (1,1) circle [radius=0.1];
\draw (2,2) circle [radius=0.1];
\draw (3,2) circle [radius=0.1];
\draw (4,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,3) circle [radius=0.1];
\draw (5,2) circle [radius=0.1];
\draw (6,1) circle [radius=0.1];

\draw (0,0)--(0,2);
\end{tikzpicture}
& \hspace{0.1cm} &
\begin{tikzpicture}[scale=0.3]
\draw (-1,-2)--(8,-2)--(8,5)--(-1,5)--(-1,-2);
\draw (0,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,-1) circle [radius=0.1];
\draw (7,1) circle [radius=0.1];
\draw (6,3) circle [radius=0.1];
\draw (2,4) circle [radius=0.1];
\draw (0,2) circle [radius=0.1];

\draw (1,1) circle [radius=0.1];
\draw (2,2) circle [radius=0.1];
\draw (3,2) circle [radius=0.1];
\draw (4,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,3) circle [radius=0.1];
\draw (5,2) circle [radius=0.1];
\draw (6,1) circle [radius=0.1];

\draw (0,0)--(0,2)--(1,1);
\end{tikzpicture}
& \hspace{0.1cm} &
\begin{tikzpicture}[scale=0.3]
\draw (-1,-2)--(8,-2)--(8,5)--(-1,5)--(-1,-2);
\draw (0,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,-1) circle [radius=0.1];
\draw (7,1) circle [radius=0.1];
\draw (6,3) circle [radius=0.1];
\draw (2,4) circle [radius=0.1];
\draw (0,2) circle [radius=0.1];

\draw (1,1) circle [radius=0.1];
\draw (2,2) circle [radius=0.1];
\draw (3,2) circle [radius=0.1];
\draw (4,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,3) circle [radius=0.1];
\draw (5,2) circle [radius=0.1];
\draw (6,1) circle [radius=0.1];

\draw (0,0)--(0,2)--(1,1)--(2,2);
\end{tikzpicture}
& \hspace{0.1cm} &
\begin{tikzpicture}[scale=0.3]
\draw (-1,-2)--(8,-2)--(8,5)--(-1,5)--(-1,-2);
\draw (0,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,-1) circle [radius=0.1];
\draw (7,1) circle [radius=0.1];
\draw (6,3) circle [radius=0.1];
\draw (2,4) circle [radius=0.1];
\draw (0,2) circle [radius=0.1];

\draw (1,1) circle [radius=0.1];
\draw (2,2) circle [radius=0.1];
\draw (3,2) circle [radius=0.1];
\draw (4,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,3) circle [radius=0.1];
\draw (5,2) circle [radius=0.1];
\draw (6,1) circle [radius=0.1];

\draw (0,0)--(0,2)--(2,2);
\end{tikzpicture}
\\
1 & & 2 & & 3 & & 4 \\
\end{tabular}
\\
\begin{tabular}{ccccccc}
\begin{tikzpicture}[scale=0.3]
\draw (-1,-2)--(8,-2)--(8,5)--(-1,5)--(-1,-2);
\draw (0,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,-1) circle [radius=0.1];
\draw (7,1) circle [radius=0.1];
\draw (6,3) circle [radius=0.1];
\draw (2,4) circle [radius=0.1];
\draw (0,2) circle [radius=0.1];

\draw (1,1) circle [radius=0.1];
\draw (2,2) circle [radius=0.1];
\draw (3,2) circle [radius=0.1];
\draw (4,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,3) circle [radius=0.1];
\draw (5,2) circle [radius=0.1];
\draw (6,1) circle [radius=0.1];

\draw (0,0)--(0,2)--(2,2)--(2,4);
\end{tikzpicture}
& \hspace{0.1cm} &
\begin{tikzpicture}[scale=0.3]
\draw (-1,-2)--(8,-2)--(8,5)--(-1,5)--(-1,-2);
\draw (0,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,-1) circle [radius=0.1];
\draw (7,1) circle [radius=0.1];
\draw (6,3) circle [radius=0.1];
\draw (2,4) circle [radius=0.1];
\draw (0,2) circle [radius=0.1];

\draw (1,1) circle [radius=0.1];
\draw (2,2) circle [radius=0.1];
\draw (3,2) circle [radius=0.1];
\draw (4,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,3) circle [radius=0.1];
\draw (5,2) circle [radius=0.1];
\draw (6,1) circle [radius=0.1];

\draw (0,0)--(0,2)--(2,4);
\end{tikzpicture}
& \hspace{0.1cm} &
\begin{tikzpicture}[scale=0.3]
\draw (-1,-2)--(8,-2)--(8,5)--(-1,5)--(-1,-2);
\draw (0,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,-1) circle [radius=0.1];
\draw (7,1) circle [radius=0.1];
\draw (6,3) circle [radius=0.1];
\draw (2,4) circle [radius=0.1];
\draw (0,2) circle [radius=0.1];

\draw (1,1) circle [radius=0.1];
\draw (2,2) circle [radius=0.1];
\draw (3,2) circle [radius=0.1];
\draw (4,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,3) circle [radius=0.1];
\draw (5,2) circle [radius=0.1];
\draw (6,1) circle [radius=0.1];

\draw (0,0)--(0,2)--(2,4)--(3,2);
\end{tikzpicture}
& \hspace{0.1cm} &
\begin{tikzpicture}[scale=0.3]
\draw (-1,-2)--(8,-2)--(8,5)--(-1,5)--(-1,-2);
\draw (0,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,-1) circle [radius=0.1];
\draw (7,1) circle [radius=0.1];
\draw (6,3) circle [radius=0.1];
\draw (2,4) circle [radius=0.1];
\draw (0,2) circle [radius=0.1];

\draw (1,1) circle [radius=0.1];
\draw (2,2) circle [radius=0.1];
\draw (3,2) circle [radius=0.1];
\draw (4,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,3) circle [radius=0.1];
\draw (5,2) circle [radius=0.1];
\draw (6,1) circle [radius=0.1];

\draw (0,0)--(0,2)--(2,4)--(3,2)--(4,-1);
\end{tikzpicture}
\\
5 & & 6 & & 7 & & 8 \\
\end{tabular}
\\
\begin{tabular}{ccccccc}
\begin{tikzpicture}[scale=0.3]
\draw (-1,-2)--(8,-2)--(8,5)--(-1,5)--(-1,-2);
\draw (0,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,-1) circle [radius=0.1];
\draw (7,1) circle [radius=0.1];
\draw (6,3) circle [radius=0.1];
\draw (2,4) circle [radius=0.1];
\draw (0,2) circle [radius=0.1];

\draw (1,1) circle [radius=0.1];
\draw (2,2) circle [radius=0.1];
\draw (3,2) circle [radius=0.1];
\draw (4,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,3) circle [radius=0.1];
\draw (5,2) circle [radius=0.1];
\draw (6,1) circle [radius=0.1];

\draw (0,0)--(0,2)--(2,4)--(3,2)--(4,-1)--(4,0);
\end{tikzpicture}
& \hspace{0.1cm} &
\begin{tikzpicture}[scale=0.3]
\draw (-1,-2)--(8,-2)--(8,5)--(-1,5)--(-1,-2);
\draw (0,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,-1) circle [radius=0.1];
\draw (7,1) circle [radius=0.1];
\draw (6,3) circle [radius=0.1];
\draw (2,4) circle [radius=0.1];
\draw (0,2) circle [radius=0.1];

\draw (1,1) circle [radius=0.1];
\draw (2,2) circle [radius=0.1];
\draw (3,2) circle [radius=0.1];
\draw (4,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,3) circle [radius=0.1];
\draw (5,2) circle [radius=0.1];
\draw (6,1) circle [radius=0.1];

\draw (0,0)--(0,2)--(2,4)--(3,2)--(4,0);
\end{tikzpicture}
& \hspace{0.1cm} &
\begin{tikzpicture}[scale=0.3]
\draw (-1,-2)--(8,-2)--(8,5)--(-1,5)--(-1,-2);
\draw (0,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,-1) circle [radius=0.1];
\draw (7,1) circle [radius=0.1];
\draw (6,3) circle [radius=0.1];
\draw (2,4) circle [radius=0.1];
\draw (0,2) circle [radius=0.1];

\draw (1,1) circle [radius=0.1];
\draw (2,2) circle [radius=0.1];
\draw (3,2) circle [radius=0.1];
\draw (4,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,3) circle [radius=0.1];
\draw (5,2) circle [radius=0.1];
\draw (6,1) circle [radius=0.1];

\draw (0,0)--(0,2)--(2,4)--(3,2)--(4,0)--(4,3);
\end{tikzpicture}
& \hspace{0.1cm} &
\begin{tikzpicture}[scale=0.3]
\draw (-1,-2)--(8,-2)--(8,5)--(-1,5)--(-1,-2);
\draw (0,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,-1) circle [radius=0.1];
\draw (7,1) circle [radius=0.1];
\draw (6,3) circle [radius=0.1];
\draw (2,4) circle [radius=0.1];
\draw (0,2) circle [radius=0.1];

\draw (1,1) circle [radius=0.1];
\draw (2,2) circle [radius=0.1];
\draw (3,2) circle [radius=0.1];
\draw (4,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,3) circle [radius=0.1];
\draw (5,2) circle [radius=0.1];
\draw (6,1) circle [radius=0.1];

\draw (0,0)--(0,2)--(2,4)--(3,2)--(4,3);
\end{tikzpicture}
\\
9 & & 10 & & 11 & & 12 \\
\end{tabular}
\\
\begin{tabular}{ccccccc}
\begin{tikzpicture}[scale=0.3]
\draw (-1,-2)--(8,-2)--(8,5)--(-1,5)--(-1,-2);
\draw (0,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,-1) circle [radius=0.1];
\draw (7,1) circle [radius=0.1];
\draw (6,3) circle [radius=0.1];
\draw (2,4) circle [radius=0.1];
\draw (0,2) circle [radius=0.1];

\draw (1,1) circle [radius=0.1];
\draw (2,2) circle [radius=0.1];
\draw (3,2) circle [radius=0.1];
\draw (4,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,3) circle [radius=0.1];
\draw (5,2) circle [radius=0.1];
\draw (6,1) circle [radius=0.1];

\draw (0,0)--(0,2)--(2,4)--(4,3);
\end{tikzpicture}
& \hspace{0.1cm} &
\begin{tikzpicture}[scale=0.3]
\draw (-1,-2)--(8,-2)--(8,5)--(-1,5)--(-1,-2);
\draw (0,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,-1) circle [radius=0.1];
\draw (7,1) circle [radius=0.1];
\draw (6,3) circle [radius=0.1];
\draw (2,4) circle [radius=0.1];
\draw (0,2) circle [radius=0.1];

\draw (1,1) circle [radius=0.1];
\draw (2,2) circle [radius=0.1];
\draw (3,2) circle [radius=0.1];
\draw (4,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,3) circle [radius=0.1];
\draw (5,2) circle [radius=0.1];
\draw (6,1) circle [radius=0.1];

\draw (0,0)--(0,2)--(2,4)--(4,3)--(5,2);
\end{tikzpicture}
& \hspace{0.1cm} &
\begin{tikzpicture}[scale=0.3]
\draw (-1,-2)--(8,-2)--(8,5)--(-1,5)--(-1,-2);
\draw (0,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,-1) circle [radius=0.1];
\draw (7,1) circle [radius=0.1];
\draw (6,3) circle [radius=0.1];
\draw (2,4) circle [radius=0.1];
\draw (0,2) circle [radius=0.1];

\draw (1,1) circle [radius=0.1];
\draw (2,2) circle [radius=0.1];
\draw (3,2) circle [radius=0.1];
\draw (4,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,3) circle [radius=0.1];
\draw (5,2) circle [radius=0.1];
\draw (6,1) circle [radius=0.1];

\draw (0,0)--(0,2)--(2,4)--(4,3)--(5,2)--(6,1);
\end{tikzpicture}
& \hspace{0.1cm} &
\begin{tikzpicture}[scale=0.3]
\draw (-1,-2)--(8,-2)--(8,5)--(-1,5)--(-1,-2);
\draw (0,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,-1) circle [radius=0.1];
\draw (7,1) circle [radius=0.1];
\draw (6,3) circle [radius=0.1];
\draw (2,4) circle [radius=0.1];
\draw (0,2) circle [radius=0.1];

\draw (1,1) circle [radius=0.1];
\draw (2,2) circle [radius=0.1];
\draw (3,2) circle [radius=0.1];
\draw (4,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,3) circle [radius=0.1];
\draw (5,2) circle [radius=0.1];
\draw (6,1) circle [radius=0.1];

\draw (0,0)--(0,2)--(2,4)--(4,3)--(5,2)--(6,1)--(6,3);
\end{tikzpicture}
\\
13 & & 14 & & 15 & & 16 \\
\end{tabular}
\\
\begin{tabular}{ccccccc}
\begin{tikzpicture}[scale=0.3]
\draw (-1,-2)--(8,-2)--(8,5)--(-1,5)--(-1,-2);
\draw (0,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,-1) circle [radius=0.1];
\draw (7,1) circle [radius=0.1];
\draw (6,3) circle [radius=0.1];
\draw (2,4) circle [radius=0.1];
\draw (0,2) circle [radius=0.1];

\draw (1,1) circle [radius=0.1];
\draw (2,2) circle [radius=0.1];
\draw (3,2) circle [radius=0.1];
\draw (4,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,3) circle [radius=0.1];
\draw (5,2) circle [radius=0.1];
\draw (6,1) circle [radius=0.1];

\draw (0,0)--(0,2)--(2,4)--(4,3)--(5,2)--(6,3);
\end{tikzpicture}
& \hspace{0.1cm} &
\begin{tikzpicture}[scale=0.3]
\draw (-1,-2)--(8,-2)--(8,5)--(-1,5)--(-1,-2);
\draw (0,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,-1) circle [radius=0.1];
\draw (7,1) circle [radius=0.1];
\draw (6,3) circle [radius=0.1];
\draw (2,4) circle [radius=0.1];
\draw (0,2) circle [radius=0.1];

\draw (1,1) circle [radius=0.1];
\draw (2,2) circle [radius=0.1];
\draw (3,2) circle [radius=0.1];
\draw (4,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,3) circle [radius=0.1];
\draw (5,2) circle [radius=0.1];
\draw (6,1) circle [radius=0.1];

\draw (0,0)--(0,2)--(2,4)--(4,3)--(6,3);
\end{tikzpicture}
& \hspace{0.1cm} &
\begin{tikzpicture}[scale=0.3]
\draw (-1,-2)--(8,-2)--(8,5)--(-1,5)--(-1,-2);
\draw (0,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,-1) circle [radius=0.1];
\draw (7,1) circle [radius=0.1];
\draw (6,3) circle [radius=0.1];
\draw (2,4) circle [radius=0.1];
\draw (0,2) circle [radius=0.1];

\draw (1,1) circle [radius=0.1];
\draw (2,2) circle [radius=0.1];
\draw (3,2) circle [radius=0.1];
\draw (4,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,3) circle [radius=0.1];
\draw (5,2) circle [radius=0.1];
\draw (6,1) circle [radius=0.1];

\draw (0,0)--(0,2)--(2,4)--(6,3);
\end{tikzpicture}
& \hspace{0.1cm} &
\begin{tikzpicture}[scale=0.3]
\draw (-1,-2)--(8,-2)--(8,5)--(-1,5)--(-1,-2);
\draw (0,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,-1) circle [radius=0.1];
\draw (7,1) circle [radius=0.1];
\draw (6,3) circle [radius=0.1];
\draw (2,4) circle [radius=0.1];
\draw (0,2) circle [radius=0.1];

\draw (1,1) circle [radius=0.1];
\draw (2,2) circle [radius=0.1];
\draw (3,2) circle [radius=0.1];
\draw (4,0) circle [radius=0.1];
\draw (4,3) circle [radius=0.1];
\draw (5,2) circle [radius=0.1];
\draw (6,1) circle [radius=0.1];

\draw (0,0)--(0,2)--(2,4)--(6,3)--(7,1);
\end{tikzpicture}
\\
17 & & 18 & & 19 & & 20
\end{tabular}