01卡特兰数

卡特兰数跟排列组合很有关系，所以在看此文章前请掌握：

• 加法原理
• 乘法原理
• A(m,n)计算公式及其原理
• C(m,n)计算公式及其原理

前言

今天您将会学习到基本的卡特兰数及其应用。

---

一、卡特兰数是什么？

        卡特兰数（Catalan number）是组合数学中一种常出现于各种计数问题中的数列。其前几项为：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, ...        

二、卡特兰数如何计算

设h(n)为catalan数的第n项，令h(0)=1,h(1)=1，catalan数满足递推式：

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：

h(n)=h(n-1)*(4*n-2)/(n+1)h(n+1)=h(n) * (4*n + 2) / (n + 2)

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,...)

三、卡特兰的实际应用

1.思路分析

您可以先看这一题。

现在我们来思考这道题：

首先，我们设 f(n)=序列个数为n的出栈序列种数。（我们假定，最后出栈的元素为k，显然，k取不同值时的情况是相互独立的，也就是求出每种k最后出栈的情况数后可用加法原理，由于k最后出栈，因此，在k入栈之前，比k小的值均出栈，此处情况有f(k-1)种，而之后比k大的值入栈，且都在k之前出栈，因此有f(n-k)种方式，由于比k小和比k大的值入栈出栈情况是相互独立的，此处可用乘法原则，f(n-k)*f(k-1)种，求和便是Catalan递归式。）

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)。

2.我的打表代码

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
long long a[18]={1, 2, 5, 14, 42, 132, 429, 1430, 4862, 16796, 58786, 208012, 742900, 2674440, 9694845, 35357670, 129644790, 477638700};
int main(){int x;cin>>x;cout<<a[x-1]<<endl;return 0;
}

四、AI说的话

1.AI对卡特兰数的评价

卡特兰数是一种非常重要的组合数学概念，它在许多领域都有广泛应用。下面是对卡特兰数的一些评价：

1. 卡特兰数可以表示组合问题和路径计数问题。

2. 卡特兰数的计算方法简单明了，可通过递推公式或生成函数求解。

3. 卡特兰数的性质丰富，涉及到二叉树、括号序列、山峰序列等多种组合结构。

4. 卡特兰数常被用于解决实际问题，如括号匹配、高维几何计算等。

5. 卡特兰数还具有一些意想不到的应用，如计算有限自动机、判断合法的棋盘布局等。

总之，卡特兰数作为组合数学中的重要概念，不仅具有理论意义，更有着实际应用价值。

2.AI解释卡特兰数的应用

卡特兰数是一类非常重要的数列，因为它们可以用于解决许多实际应用问题。以下是卡特兰数的一些应用：

1. 括号序列：一个括号序列是由左右括号组成的字符串，例如 (()())。卡特兰数可以用于计算长度为n的括号序列的数量，以及其中合法的括号序列的数量。

2. 凸多边形三角剖分：在凸多边形中，任何三角形的划分都可以由其对角线进行。卡特兰数可以用于计算划分凸多边形所需的对角线数量。

3. 二叉树：卡特兰数也可以用于计算由n个节点构成的二叉树的数量。这里，每个节点不仅包含一个值，而且还包含指向其左子节点和右子节点的指针。

4. 杨表：卡特兰数也可以用于计算n个数的杨表的数量，其中杨表是一种将n个数排列成不降序列的方案。

5. 格路线：在一个n×n的网格上，从左下角到右上角的路径必须从每个格子的下方或右方穿过。卡特兰数可以用于计算这样的路径的数量。

6. 栈的操作序列：假设我们有一个空栈，我们可以将n个数字插入该栈。卡特兰数可以用于计算所有n个数字的操作序列的数量，其中每个操作可以是“压入”或“弹出”。

7. 电力分配：假设我们有n台发电机和n个城市，每台发电机都可以向多个城市提供电力。卡特兰数可以用于计算所有可能的电力分配方案。

总之，卡特兰数在组合数学中起着非常重要的作用，它们的应用广泛，不仅仅限于上述问题。

3.AI生成的卡特兰数C++代码

以下是使用C++语言生成卡特兰数的示例代码：

#include <iostream>
using namespace std;unsigned long int catalanDP(unsigned int n)
{// Table to store precomputed values of catalan numbersunsigned long int catalan[n + 1];// Initialize first two values in tablecatalan[0] = catalan[1] = 1;// Fill entries in catalan[] using DPfor (int i = 2; i <= n; i++){catalan[i] = 0;for (int j = 0; j < i; j++)catalan[i] += catalan[j] * catalan[i - j - 1];}// Return last entryreturn catalan[n];
}int main()
{for (int i = 0; i < 10; i++)cout << catalanDP(i) << " ";return 0;
}

此示例代码使用动态规划方法来计算卡特兰数，并使用循环生成前10个卡特兰数。

---

总结

以上就是今天要讲的内容。