[数学]卡特兰数

发布时间:2022-07-05 发布网站:脚本宝典
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前言

卡特兰数是初赛中比较重要的数学知识,所以写篇博客总结一下。

定义

[数学]卡特兰数

(C_n) 表示从 ((0,0)) 出发,每次只能向右或向上走 1 步,且 (x) 轴的值始终不小于 (y) 轴的值,到 ((n,n))方案种数。

通项+证明

[C_n=DFrac{1}{n+1}left(begin{matrix}2n \ nend{matrix}right) ]

证明:

[数学]卡特兰数

不考虑越过线的情况的话显然有 (left(begin{matrix}2n \ nend{matrix}right)) 种情况。

考虑非法的情况,令直线 (l:y=x+1),那么每一个非法的方案都与 (l) 有至少 1 个交点。

对于每一个方案,我们取 (x) 值最小且在 (l) 上的点记为 (p(x_1,y_1)),将 (x>x_1,yleq x) 的点沿 (l) 对称,那么就变为从 ((0,0))((n-1,n+1)) 的路径了,显然是一个映射,所以有 (left(begin{matrix}2n \ {n-1}end{matrix}right)) 种非法方案。

所以 (C_n=left(begin{matrix}2n \ nend{matrix}right) - left(begin{matrix}2n \ {n-1}end{matrix}right))

化简

[begin{aligned} C_n=&left(begin{matrix}2n \ nend{matrix}right) - left(begin{matrix}2n \ {n-1}end{matrix}right) \ =&dfrac{(2n)!}{n!cdot n!}-dfrac{(2n)!}{(n-1)!cdot (n+1)!}\ =&(2n)!cdotBigg[dfrac{(n+1)-n}{n!cdot (n+1)!}bigg]\ =&dfrac{1}{n+1}left(begin{matrix}2n \ nend{matrix}right) end{aligned} ]

应用

  1. (n) 对括号的合法配对方案书
  2. (n) 个节点的二叉树的形态数
  3. (n+1) 个叶子((n) 个非叶节点)的满二叉树的形态数, 走到左儿子 (+1),走到 右儿子 (-1),类似于括号匹配(大致同2)
  4. (n) 个数入栈后出栈的排列总数
  5. 对凸 (n+2) 边形进行不同的三角形分割的方案数(分割线断点仅为顶点,且分割线仅在顶点上相交)
  6. (n) 层的阶梯切割为 (n) 个矩形的切法数

转自 https://www.cnblogs.COM/linzhengmin/p/11298140.htML

脚本宝典总结

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