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卡特兰树-Catalan数

Catalan数的应用:
http://www.cppblog.com/abilitytao/archive/2010/04/12/112371.html

卡特兰数真是一个神奇的数字,很多组合问题的数量都和它有关系,例如:

一.Cn= 长度为 2n的 Dyck words的数量。 Dyck words是由 n个 X和 n个 Y组成的字符串,并且从左往右数, Y的数量不超过 X,例如长度为 6的 Dyck words为:

XXXYYY XYXXYY XYXYXY XXYYXY XXYXYY

二.Cn= n对括号正确匹配组成的字符串数,例如 3对括号能够组成:

((())) ()(()) ()()() (())() (()())

三.Cn= n+1个数相乘,所有的括号方案数。例如, 4个数相乘的括号方案为:

 
((ab)c)d (a(bc))d (ab)(cd) a((bc)d) a(b(cd))

\四.Cn= 拥有 n+1 个叶子节点的二叉树的数量。例如 4个叶子节点的所有二叉树形态:

Catalan number binary tree example.png

五.Cn=n*n的方格地图中,从一个角到另外一个角,不跨越对角线的路径数,例如, 4×4方格地图中的路径有:

Catalan number 4x4 grid example.svg

六.Cn= n+2条边的多边形,能被分割成三角形的方案数,例如 6边型的分割方案有:

Catalan-Hexagons-example.svg

七.Cn= 圆桌周围有 2n个人,他们两两握手,但没有交叉的方案数。

在《Enumerative Combinatorics》一书中,竟然提到了多达 66种组合问题和卡特兰数有关。


算法分析中Catalan数的应用研究
一、catalan计数序列及其递推公式
(一)catalan数
catalan数即序列c0,c1,c2,…,cn,…。其中cn= (n=0,1,2,…)。前几个catalan数为c0=1,c1=1,c2=2,c3=5,c4=14,c5=42,c6=132,c7=429,c8=1430,c9=4862。
(二)递推公式
公式1:cn=c0cn-1+c1cn-2+…+cn-1c0= (1)
此公式为catalan数最常见递推公式。由公式可得出cn= (n=0,1,2,…),其证明过程主要是求此非线性递推公式的生成函数, 具体证明可参见参考文献中的组合数学。
公式2:cn= cn-1 (n≥1) c0=1,c1=1 (2)
此公式也为catalan数常见递推公式之一。由公式也可得出cn= (n=0,1,2,…),其证明过程较为简单。只要不断地递归到c0=1即可。
定理1:n个+1和n个-1构成的2n项a1,a2,…,a2n,其部分和满足a1+a2+…+ak≥0 (k=1,2,…,2n)的数列个数等于第n个catalan数,即cn= 。
证明:此定理的可以直接利用排列组合来证明,具体的证明可参见参考文献中的组合数学。这里给出另一种证明方式。
设满足部分和非负的数列个数为cn,此数列中的每一个都可看成是由i个+1和i个-1以及n-i个+1和n-i个-1这样两个数列构成。 由i个+1和i个-1构成的数列个数为ci, 由n-i个+1和n-i个-1构成的数列个数为cn-i,由乘法和加法原理可知cn= 且c0=1即满足公式1,所以cn= 。







posted on 2012-07-26 13:19 wangs 阅读(615) 评论(0)  编辑 收藏 引用 所属分类: ACM-数学


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