卡特兰数

卡特兰数

前几项为 : 1, 1, 2, 5, 14, 42, 132, 429, 1430, 4862, 16796, 58786, 208012, 742900, 2674440, 9694845, 35357670, 129644790, 477638700, 1767263190, 6564120420, 24466267020, 91482563640, 343059613650, 1289904147324, 4861946401452, ...

典型应用

1、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?

   一个有n个X和n个Y组成的字串,且所有的部分字串皆满足X的个数大于等于Y的个数。以下为长度为6的dyck words:
                            XXXYYY     XYXXYY    XYXYXY    XXYYXY    XXYXYY
    将上例的X换成左括号,Y换成右括号,Cn表示所有包含n组括号的合法运算式的个数:
                         ((()))     ()(())      ()()()      (())()      (()())

2、将多边行划分为三角形问题。将一个凸多边形区域分成三角形区域(划分线不交叉)的方法数?

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?

3、出栈次序问题。一个栈(无穷大)的进栈序列为1、2、3、...、n,有多少个不同的出栈序列?
类似: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)

类似:一位大城市的律师在他住所以北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。如果他从不穿越(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?

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n个1和n个0组成的2n位二进制数。由于等待入栈的操作数按照1‥n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n个1和n个0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。

4、给顶节点组成二叉树的问题。
  给定N个节点,能构成多少种形状不同的二叉树?
  (一定是二叉树!先取一个点作为顶点,然后左边依次可以取0至N-1个相对应的,右边是N-1到0个,两两配对相乘,就是h(0)*h(n-1) + h(2)*h(n-2) + ...... + h(n-1)h(0)=h(n))   (能构成h(N)个)
 
计算公式
卡塔兰数的一般项公式为
 C_n = frac{1}{n+1}{2n choose n} = frac{(2n)!}{(n+1)!n!}
C_n = {2nchoose n} - {2nchoose n-1} quadmbox{ for }nge 1
 

卡塔兰数满足以下递推关系

C_0 = 1 quad mbox{and} quad C_{n+1}=sum_{i=0}^{n}C_i\,C_{n-i}quadmbox{for }nge 0.

它也满足

C_0 = 1 quad mbox{and} quad C_{n+1}=frac{2(2n+1)}{n+2}C_n,
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