当n个编号元素以某种顺序进栈,并可在任意时刻出栈,所获得的编号元素排列的数目N恰好满足Catalan函数的计算,即N=C(2n,n)/(n+1)。
卡特兰数又称卡塔兰数,是组合数学中一个常出现在各种计数问题中的数列。以比利时的数学家欧仁·查理·卡塔兰 (1814–1894)的名字来命名。
卡特兰数的前几项:1,1,2,5,14,42,132,429,1430,4862…
卡特兰数原理:
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)
例如:h(2)=h(0)*h(1)+h(1)*h(0)=1*1+1*1=2
h(3)=h(0)*h(2)+h(1)*h(1)+h(2)*h(0)=1*2+1*1+2*1=5
另类递推式 :
h(n)=h(n-1)*(4*n-2)/(n+1);
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,...)
卡特兰数应用之出栈次序:
问题:一个栈的进栈序列为1,2,3,…,n。有多少个不同的出栈序列?
分析:设f(n) = 序列个数为n的出栈序列种数。设最后出栈的元素为k。即在k进栈之前,元素1,2,…,k-1已经出栈,出栈序列数为f(k-1)。在k进栈后,元素k+1,k+2,…,n已经进栈后全部出栈。所以元素k+1,k+2,…,n出栈序列种数为f(n-k)。由于比k小和比k大的值入栈出栈情况是相互独立的,此处可用乘法原则,f(n-k)*f(k-1)种,求和便是Catalan递归式。
解决:f(n) = f(n-k)*f(k-1),其中k=1,2,3,…,n 所以f(n) = h(n)= C(2n,n)/(n+1) = c(2n,n)-c(2n,n+1)(n=0,1,2,3,…,n)