卡特兰数小结

卡特兰数,卡特兰数前几项为 : 1, 1, 2, 5, 14, 42, 132, 429, 1430

h(1)=1,h(2)=1catalan数满足递推式[1]

h(n)= h(1)*h(n-1)+h(2)*h(n-2) + ... + h(n-1)h(1) (n>=3)

卡特兰数的应用 实质上都是递归等式的应用

括号化问题

  矩阵链乘: P=a1×a2×a3×……×an,依据乘法结合律,不改变其顺序,只用括号表示成对的乘积,试问有几种括号化的方案?(h(n))

出栈次序问题

  一个栈(无穷大)的进栈序列为123n,有多少个不同的出栈序列?

  分析

  对于每一个数来说,必须进栈一次、出栈一次。我们把进栈设为状态‘1’,出栈设为状态‘0’n个数的所有状态对应n1n0组成的2n位二进制数。由于等待入栈的操作数按照1n的顺序排列、入栈的操作数b大于等于出栈的操作数a(a≤b),因此输出序列的总数目=由左而右扫描由n1n0组成的2n位二进制数,1的累计数不小于0的累计数的方案种数。

  在2n位二进制数中填入n1的方案数为c(2n,n),不填1的其余n位自动填0。从中减去不符合要求(由左而右扫描,0的累计数大于1的累计数)的方案数即为所求。

  不符合要求的数的特征是由左而右扫描时,必然在某一奇数位2m+1位上首先出现m+10的累计数和m1的累计数,此后的2(n-m)-1位上有n-m 1n-m-10。如若把后面这2(n-m)-1位上的01互换,使之成为n-m0n-m-11,结果得1个由n+10n-11组成的2n位数,即一个不合要求的数对应于一个由n+10n-11组成的排列。

  反过来,任何一个由n+10n-11组成的2n位二进制数,由于0的个数多2个,2n为偶数,故必在某一个奇数位上出现0的累计数超过1的累计数。同样在后面部分01互换,使之成为由n0n1组成的2n位数,即n+10n-11组成的2n位数必对应一个不符合要求的数。

  因而不合要求的2n位数与n10n11组成的排列一一对应。

  显然,不符合要求的方案数为c(2n,n+1)。由此得出输出序列的总数目=c(2n,n)-c(2n,n+1)=1/(n+1)*c(2n,n)

  (这个公式的下标是从h(0)=1开始的)

  类似问题

  有2n个人排成一行进入剧场。入场费5元。其中只有n个人有一张5元钞票,另外n人只有10元钞票,剧院无其它钞票,问有多少中方法使得只要有10元的人买票,售票处就有5元的钞票找零?(将持5元者到达视作将5元入栈,持10元者到达视作使栈中某5元出栈)

凸多边形的三角剖分问题

  求将一个凸多边形区域分成三角形区域的方法数。

  类似:一位大城市的律师在她住所以北n个街区和以东n个街区处工作。每天她走2n个街区去上班。如果她从不穿越(但可以碰到)从家到办公室的对角线,那么有多少条可能的道路?

类似:在圆上选择2n个点,将这些点成对连接起来使得所得到的n条线段不相交的方法数?

用给定节点组成二叉树的问题,给定N个节点,能构成多少种不同的二叉树?(能构成hN)个)

 

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