卡特兰数（Catalan）简介

Catalan序列是一个整数序列，其通项公式是

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

其前几项为 : 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

（从0开始）

递推：

令h(0)=1,h(1)=1，catalan数满足递推式^[1]：

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^[2]：

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,...)

Catalan数的一些性质

基本公式：

$C_n = /frac{1}{n+1}{2n/choose n} = /frac{(2n)!}{(n+1)!/,n!} /quad n/ge 0$

Catalan数的基本公式就是上个部分所列出的那样，但是却有一些变形和具体的性质：

1、 $C_n = {2n/choose n} - {2n/choose n+1} /quad n/ge 0$

这是根据原来的式子推导出来的，大概过程是这样的：

$C_n = /frac{1}{n+1}{2n/choose n} = {2n/choose n} - /frac{n}{n+1}{2n/choose n} = {2n/choose n} - {2n/choose n + 1}$

2、 $C_0 = 1 /quad , /quad C_{n+1}=/frac{2(2n+1)}{n+2}C_n$

这个递推式很容易可以从原来的式子中获得

3、 $/begin{displaymath}C_0 = 1 /quad , /quad C_{n+1}=/sum_{i=0}^{n}C_i/,C_{n-i}/quad n/ge 0/end{displaymath}$

4、 $/begin{displaymath}C_n= /frac 1{n+1} /sum_{i=0}^n {n /choose i}^2/end{displaymath}$

5、 $/begin{displaymath}C_n /sim /frac{4^n}{n^{/frac{3}{2}}/sqrt{/pi}}/end{displaymath}$

这个是Catalan数的增长趋势。

在《组合数学》（机械工业出版社）一书中，介绍Catalan数是由其一个应用推导出的公式，其具体的描述如下：

n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 。

其证明也不难，我们假设不满足条件的序列个数为 U_n ，那么就有 $C_n + U_n = {2n /choose n}$ 。剩下的工作就是求 U_n 了，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 ，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。

在具体的组合数问题中，很多都可以转换为Catalan数进行最后的计算，如下：

1、如上文所说，对于任意的k，前k个元素中-1的个数小等于+1的个数的序列计数，我们可以不停地变换形式，比如将-1看成右括号，+1看成左括号，就变成了合法括号表达式的个数。比如2个左括号和2个右括号组成的合法表达式有 C_2 = 2 种，是()()和(())。

2、既然如上一点都把括号加上去了，那么顺便就再次转换，n+1个数连乘，乘法顺序有 C_n 种，比如我们三个数连乘a*b*c，那么等于在式子上加括号，有2种乘法顺序，分别是(ab)c和a(bc)。貌似对应关系比较模糊，我们取n为3来看看，n为3的时候就是4个数相乘了，那么我们设为abcd，最初的标号定在a上，我们对于n为3得到合法的括号序列有5个，分别是：((()))，()(())，()()()，(())()和(()())，那么我们将一个左括号看成是当前操作数指针往右移动一个位置，一个右括号看成是当前操作数和左边最近的一块操作数相乘起来，那么对应的五个表达式就是：a(b(cd))，(ab)(cd)，((ab)c)d，(a(bc))d和a((bc)d)，他们之间是一一对应关系。

转自：http://www.cnblogs.com/muzinian/archive/2012/11/08/2761430.html

组合数学中有非常多.的组合结构可以用卡塔兰数来计数。在Richard P. Stanley的Enumerative Combinatorics: Volume 2一书的习题中包括了66个相异的可由卡塔兰数表达的组合结构。以下用C_n=3和C_n=4举若干例：

C_n表示长度2n的dyck word的个数。Dyck word是一个有n个X和n个Y组成的字串，且所有的前缀字串皆满足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，C_n表示所有包含n组括号的合法运算式的个数:

((())) ()(()) ()()() (())() (()())（这里n=3，为5个）

C_n表示有n个节点组成不同构二叉树的方案数。
下图中，n等于3，圆形表示节点，月牙形表示什么都没有。

C_n表示有2n+1个节点组成不同构满二叉树（full binary tree）的方案数。下图中，n等于3，圆形表示内部节点，月牙形表示外部节点。本质同上。

证明：

令1表示进栈，0表示出栈，则可转化为求一个2n位、含n个1、n个0的二进制数，满足从左往右扫描到任意一位时，经过的0数不多于1数（也就是1的个数>=0的个数)。显然含n个1、n个0的2n位二进制数共有个，下面考虑不满足要求的数目。

考虑一个含n个1、n个0的2n位二进制数，扫描到第2m+1位上时有m+1个0和m个1（容易证明一定存在这样的情况），则后面的0-1排列中必有n-m个1和n-m-1个0。将2m+2及其以后的部分0变成1、1变成0，则对应一个n+1个0和n-1个1的二进制数。反之亦然（相似的思路证明两者一一对应）。

从而

证毕。

C_n表示所有在n × n格点中不越过对角线的单调路径的个数。一个单调路径从格点左下角出发，在格点右上角结束，每一步均为向上或向右。计算这种路径的个数等价于计算Dyck word的个数： X代表“向右”，Y代表“向上”。下图为n = 4的情况：

C_n表示通过连结顶点而将n + 2边的凸多边形分成三角形的方法个数。下图中为n = 4的情况：

（C_n表示对{1, ..., n}依序进出栈的置换个数。一个置换w是依序进出栈的当S(w) = (1, ..., n), 其中S(w)递归定义如下：令w = unv，其中n为w的最大元素，u和v为更短的数列；再令S(w) = S(u)S(v)n，其中S为所有含一个元素的数列的单位元。

C_n表示集合{1, ..., n}的不交叉划分的个数. 那么, C_n 永远不大于第n项贝尔数. C_n也表示集合{1, ..., 2n}的不交叉划分的个数，其中每个段落的长度为2。综合这两个结论，可以用数学归纳法证明 that all of the free cumulants of degree more than 2 of the Wigner semicircle law are zero. This law is important in free probability theory and the theory of random matrices.

C_n表示用n个长方形填充一个高度为n的阶梯状图形的方法个数。下图为 n = 4的情况:

转自：http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8D%A1%E5%A1%94%E5%85%B0%E6%95%B0

括号化问题如，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-1)种)

出栈次序问题　　
1、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?

出栈次序

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

分析：为1时只有1中，为2时有2中，为3时，设三个数为x1,x2,x3，序列有:

x1 x2 x3

x1 x3 x2

x2 x1 x3

x2 x3 x1

x3 x2 x1

(不存在x3,x1,x2) 因为x3是第一个先出栈的，必然栈里面的为x1,x2,）

常规分析

首先，我们设f（n）=序列个数为n的出栈序列种数。同时，我们假定，从开始到栈第一次出到空为止，这段过程中第一个出栈的序数是k。特别地，如果栈直到整个过程结束时才空，则k=n

首次出空之前第一个出栈的序数k将1~n的序列分成两个序列，其中一个是1~k-1，序列个数为k-1，另外一个是k+1~n，序列个数是n-k。

此时，我们若把k视为确定一个序数，那么根据乘法原理，f（n）的问题就等价于——序列个数为k-1的出栈序列种数乘以序列个数为n - k的出栈序列种数，即选择k这个序数的f（n）=f（k-1）×f（n-k）。而k可以选1到n，所以再根据加法原理，将k取不同值的序列种数相加，得到的总序列种数为：f（n）=f（0）f（n-1）+f（1）f（n-2）+……+f（n-1）f（0）。

看到此处，再看看卡特兰数的递推式，答案不言而喻，即为f（n）=h（n）= C（2n,n）/（n+1）= c（2n,n）-c（2n,n+1）（n=0，1，2，……）。

最后，令f（0）=1，f（1）=1。

非常规分析

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。

在2n位二进制数中填入n个1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+1个0的累计数和m个1的累计数，此后的2(n-m)-1位上有n-m个 1和n-m-1个0。如若把后面这2(n-m)-1位上的0和1互换，使之成为n-m个0和n-m-1个1，结果得1个由n+1个0和n-1个1组成的2n位数，即一个不合要求的数对应于一个由n+1个0和n-1个1组成的排列。

反过来，任何一个由n+1个0和n-1个1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0和1互换，使之成为由n个0和n个1组成的2n位数，即n+1个0和n-1个1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n+1个0，n－1个1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)=c(2n,n)/(n+1)=h(n+1)。

（可以看以前写的文章：

输入两个整数序列。其中一个序列表示栈的push 顺序，
判断另一个序列有没有可能是对应的pop 顺序。

http://www.cnblogs.com/youxin/p/3295534.html）

类似问题买票找零

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)

2、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)。

将多边行划分为三角形问题　　n+2是Cn ,如果是n个点的话是C(n-2)
1、将一个凸多边形区域分成三角形区域的方法数?
2、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？
3、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? (Cn)

给顶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？

一些笔试题
1、16个人按顺序去买烧饼，其中8个人每人身上只有一张5块钱，另外8个人每人身上只有一张10块钱。烧饼5块一个，开始时烧饼店老板身上没有钱。16个顾客互相不通气，每人只买一个。问这16个人共有多少种排列方法能避免找不开钱的情况出现。
h(8)=16!/(8!*9!)=1430，所以总数=h(8)*8！*8！=16!/9
2、在图书馆一共6个人在排队，3个还《面试宝典》一书，3个在借《面试宝典》一书，图书馆此时没有了面试宝典了，求他们排队的总数？
h(3)=6!/(3!*4!)=5，所以总数=h(3)*3!*3!=180

catalan数深入：

http://www.cnblogs.com/wuyuegb2312/archive/2013/07/16/3016878.html#code1