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直观感受卡特兰数(Catalan number)

直观感受卡特兰数(Catalan number)

作者: 我叫AC | 来源:发表于2020-02-22 11:21 被阅读0次

    卡特兰数是一个重要的数学概念,我们先看它的公式:

    天哪这是什么??

    这样的公式不够直观,更直观的表现形式是:

    好看多了

    也就是  从2n里挑出n个元素的情况数  减去   从2n里挑出n+1个元素的情况数。这就是卡特兰数了。

    卡特兰数的应用

    基本模型

    有一个长度为2n的01序列,其中1,0各n个,要求在任意位置1的总数不能大于0。求可能的01排序个数。

    这里可以把0视为进栈,1视为出栈。栈必须非空才能出。

    思路1:

    01随机排2n的个数 C(2n  n)

    一旦出现第一个不满足条件的1(也就是此时有k个0,k+1个1),将后面的所有0变成1,1变成0。

    通过这种变换,只要遇到非法情况,必有 n-1个0 与 n+1个1,所以非法情况个数是 C(2n  n+1)

    思路2:

    我们建立直角坐标系,认为出现一个0为向右走一步,出现一个1为向上走一步。从(0,0)走到(n,n)。

    不考虑条件共(2n  n)种走法,也就是第个二公式的前面一半,下面只需减去不符合条件的走法即可。

    很容易知道,符合条件的走法一定不会 越过y=x 这条线, 但是“越过”不好计算,我们转化成 碰到y=x+1 

    沿用思路一,一旦非法(碰到y=x+1),我们互换非法之后所有的01(与y=x+1镜像),此时线的终点为(n-1, n+1)

    这就是说明只要非法,我们将到达(n-1, n+1), 所有的非法情况 = 从 (0, 0) 到 (n - 1, n + 1) 的路径个数

    不符合条件的走法个数 =  碰到y=x+1的走法个数  = 从(0,0)到点 (n-1,n+1)的走法个数 = C (2n n+1) 由此可得出卡特兰数

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