学习卡特兰数的一点心得

思路来源

https://baike.baidu.com/item/%E5%8D%A1%E7%89%B9%E5%85%B0%E6%95%B0/6125746?fr=aladdin

https://blog.csdn.net/duanruibupt/article/details/6869431

https://www.cnblogs.com/COLIN-LIGHTNING/p/8450053.html

https://blog.csdn.net/qq_36523667/article/details/78590002

https://blog.csdn.net/doc_sgl/article/details/8880468

 

卡特兰数通项公式

 

卡特兰数递推公式

令h(0)=1,h(1)=1,

catalan数满足递推式:

h(n)= h(0)*h(n-1)+h(1)*h(n-2) + ... + h(n-1)*h(0) (n>=2)

 

另类递推式:

h(n)=h(n-1)*(4*n-2)/(n+1);(可用于大数 求递推式)

递推关系的解为:

h(n)=C(2n,n)/(n+1) (n=0,1,2,...)

递推关系的另类解为:

h(n)=c(2n,n)-c(2n,n-1)(n=0,1,2,...)

 

卡特兰数的应用

①n个+1和n个-1构成2n项a_1,a_2,...,a_n,其部分和满足a_1 + a_2 + ... + a_k /ge 0 /quad , /quad 0 /le k /le 2n的序列个数等于第n个Catalan数C_n

证明:

假设不满足条件的序列个数为U_n,那么就有C_n + U_n = {2n /choose n}

我们假设有一个最小的k令a_1 + a_2 + ... + a_k < 0

由于这里k是最小的,所以必有a_1 + a_2 + ... + a_{k - 1} = 0 /quad , /quad a_k = -1,并且k是一个奇数。

此时我们将前k项中的+1变为-1,将-1变为+1,那么就得到一个有(n+1)个+1和(n-1)个-1的序列了。

这样的序列个数就是我们要求的U_n

显然,Un分为两部分,

先出现-1的序列,其前缀和小于0,将序列最末一个+1改为-1即符合题意;

先出现+1的序列,按上述原则翻转回去,则符合原题意。

故只需在2n个数里任取(n+1)个数为1即可,数值大小为 U_n = {2n/choose n + 1}

那么我们就得到了C_n = {2n/choose n} - U_n = {2n/choose n} - {2n/choose n + 1}}},就是我们前面的公式。

 

②若将+1改为左括号,-1改为右括号,则原问题变为括号的匹配问题。

括号的合法序列是指,对于任意的前缀,左括号数都不少于右括号数,显然是一个卡特兰数。

证明:

(1)空串是合法序列

(2)若A是合法序列且B是合法序列,则AB是合法序列

(3)若S为合法序列,且a为长度为k的左括号,b为长度为k的右括号,则aSb是合法序列

规定A是一个合法序列,B也是一个合法序列。

那么对于n对的括号序列,一定是A(B)的形式构成。

这里我们分别讨论假设,

B有0对括号,则A有(n-1)对;

B有1对……,

……

B有(n-1)对,则A有0对。

故f(n)=f(0)f(n-1)+…+f(n-1)f(0),

根据卡特兰数的定义,显然是卡特兰数Cn。

 

③n个节点的二叉树的所有可能形态数为C_n

我们考虑随便取一个节点作为根,那么他左边和右边的儿子节点个数就确定了。

假定根节点标号为x,

那么左子树的标号就从1到x-1,共x-1个,右子树的标号就从x+1到n,共n-x个。

那么我们的x从1取到n,就获得了所有的情况数/begin{displaymath}C_n = /sum_{i = 0}^{n - 1}C_i/,C_{n - i - 1}/end{displaymath}

 

④求解路径方案数:

对于一个n*n的正方形网格,每次我们能向右或者向上移动一格,

那么从左下角到右上角的所有在副对角线右下方的路径总数为C_n

学习卡特兰数的一点心得_第1张图片

我们将一条水平边记为+1,垂直边记为-1,那么就组成了一个n个+1和n个-1的序列,

我们所要保证的就是前k步中水平边的个数不小于垂直边的个数,

换句话说前k个元素的和非负,即卡特兰数定义。

 

⑤求01串的个数:

n个0与n个1构成的序列方案数,使得任何一个前缀0的个数不少于1的个数。

显然把0改为左括号,1改为右括号就变成了合法括号序列匹配问题。

 

⑥求凸边形进行三角剖分的不同方案数:

在一个有n+3条边的凸多边形中,求通过若干条互不相交的对角线,把这个多边形划分成若干个三角形的不同方案数。

因为每一条边都一定是剖分后的三角形的一条边,

任意一条边都会把多边形分成两个小多边形,

那么根据乘法原理,解即为划分成不同多边形的方案数对应小多边形的划分方案数之和

学习卡特兰数的一点心得_第2张图片

 

⑦求出栈方案数:

我们会把n个数分成两部分来处理。

就是必须等第一部分全部排空后,第二部分的数才能入栈。

两部分分别对应一个方案数,互不相干,线性求积。

1和n-1是独立的两部分。公式就是f(1)*f(n-1),

如果2和n-2是独立的两部分。公式就是f(2)*f(n-2),

以此类推,就最终可以推到f(n-1)*f(1),

线性相加,即卡特兰数。

 

总结

方案数是卡特兰数的特征,

①可以以某位置为划分,将原情况划分为两个更小的子情况。

②类似前缀和非负的操作,如左括号数不少于右括号数等。

 

代码实现(大数 卡特兰数)

#include 
#include  
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include  
const int INF=0x3f3f3f3f;
const int MOD=1e9+7;
const double eps=1e-7;
typedef long long ll;
#define vi vector 
#define si set
#define pii pair 
#define pi acos(-1.0)
#define pb push_back
#define mp make_pair
#define lowbit(x) (x&(-x))
#define sci(x) scanf("%d",&(x))
#define scll(x) scanf("%lld",&(x))
#define sclf(x) scanf("%lf",&(x))
#define pri(x) printf("%d",(x))
#define rep(i,j,k) for(int i=j;i<=k;++i)
#define per(i,j,k) for(int i=j;i>=k;--i)
#define mem(a,b) memset(a,b,sizeof(a)) 
using namespace std;
const int maxn=1500;
struct BigInt
{
    const static int mod=10000;
    const static int LEN=4;
    int a[maxn],len;
    BigInt()
    {
        memset(a,0,sizeof(a));
        len=1;
    }
    void init(int x)
    {
        memset(a,0,sizeof(a));
        len=0;
        do//四位一存 如123456789存为 6789 2345 1 
        {
            a[len++]=x%mod;
            x/=mod;
        }while(x);
    }
    void Init(const char s[])//重点 123 4567
    {
        memset(a,0,sizeof(a));
        int l=strlen(s),res=0;
        len=l/LEN;
        if(l%LEN)len++;//l/LEN向上取整 len=2 表明需要两个字节能存下 
        for(int i=l-1;i>=0;i-=LEN)
        {
            int t=0,k=max(i-LEN+1,0);//k是找到当前字节的最高位 回退len-1长 防越界 
            for(int j=k;j<=i;j++)t=t*10+s[j]-'0';//从4开始 t临时存储4567 
            a[res++]=t;//将低位存入 
        }
    } 
    int Compare(const BigInt &b)//位多的大 
    {
        if(lenb.len)return 1;
        for(int i=len-1;i>=0;i--)//从高位比较 
            if(a[i]b.a[i])return 1;
        return 0;//完全相等的情况 
    }
    BigInt operator +(const BigInt &b)const
    {
        BigInt ans;
        ans.len=max(len,b.len);
        for(int i=0;i<=ans.len;i++)ans.a[i]=0;
        for(int i=0;i0)ans.len++;//产生了9999+9999=9998 1的数组高位进位 
        return ans;
    }
    BigInt operator -(const BigInt &b)const//确保被减数大 差为正 
    {
        BigInt ans;
        ans.len=len;
        int k=0;
        for(int i=0;i1)ans.len--;//把前缀0去掉 如果ans.len=1时说明a=b差为0 
        return ans;
    }
    BigInt operator *(const BigInt &b)const
    {
        BigInt ans;
        for(int i=0;i1)ans.len--;//查出实际长度 
        return ans;
    }
    BigInt operator /(const int &n)const//被确保被除数大 商为正 
    {
        BigInt ans;
        ans.len=len;
        int k=0;
        for(int i=ans.len-1;i>=0;i--)
        {
            k=k*mod+a[i];//k=上一位来的退位*10000+这一位 
            ans.a[i]=k/n;//这一位除以n 
            k=k%n;//这一位除以n的余数送给下一位,i=0最后一位如57/28余的1直接丢掉 取整  
        }
        while(ans.a[ans.len-1]==0&&ans.len>1)ans.len--;
        return ans;
    }
    void output()
    {
        printf("%d",a[len-1]);//是多少就是多少 没有前缀0 
        for(int i=len-2;i>=0;i--) 
            printf("%04d",a[i]);//包含前缀0 如0001 
        printf("\n");
    }
};
BigInt a[6000];
int main()
{
	int n;
	scanf("%d",&n);
	a[0].init(1),a[1].init(1);
	rep(k,2,n+1)
	{
		int t=4*k-2;
		BigInt temp1,temp2;
		temp1.init(t); 
		a[k]=a[k-1]*temp1;
	    temp2=a[k]/(k+1);
	    a[k]=temp2;
	    //a[k].output();
    }
	a[n+1].output();
    return 0;
}

 

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