引入
Catalan 数经常出现在各类计数问题中.比利时数学家 Eugène Charles Catalan 在 1958 年研究括号序列计数问题时发现了这一数列,它也因此得名.清朝数学家明安图早在 18 世纪 30 年代就已经发现这一数列.
Catalan 数满足如下递推关系:
数列的前几项为:(OEIS: A000108,下标从 开始)
应用
Catalan 数 的递推关系有着天然的递归结构:规模为 的计数问题 ,可以通过枚举分界点,分拆为两个规模分别为 和 的子问题.这一递推关系使得 Catalan 数广泛出现于各类具有类似递归结构的问题中.
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路径计数问题:有一个大小为 的方格图,左下角为 ,右上角为 .从左下角开始,每次都只能向右或者向上走一单位,不走到对角线 上方(但可以触碰)的情况下,到达右上角的路径总数为 .
??? note "证明" 设方案数为 .考虑 的情况.设路径 第一次 走到对角线 的点是 .考察从 到 的除起点和终点外,中间的点 不经过对角线(不能碰到) 的路径.
<!-- To make bot happy. Do NOT delete this line. --> 如图所示,这些路径的第一步一定向右,从 $(0,0)$ 到 $(1,0)$;最后一步一定向上,从 $(k,k-1)$ 到 $(k,k)$.因此,这些路径就是从 $(1,0)$ 到 $(k,k-1)$ 的不越过直线 $y=x-1$ 的路径,这样路径的数目就是 $T_{k-1}$.同时,从 $(k,k)$ 到 $(n,n)$ 的合法路径数就是 $T_{n-k}$.根据乘法原理,第一次在 $(k,k)$ 处触碰对角线的路径数目为 $T_{k-1} T_{n-k}$.枚举 $k$ 的所有可能性,所有合法路径的数目为 $$ T_n = \sum_{k=1}^n T_{k-1}T_{n-k}. $$ 做代换 $k=i+1$ 就可以发现,这就是 Catalan 数的递推关系.由 $T_0=1$ 可知 $T_n = C_n$. -
圆内不相交弦计数问题:圆上有 个点,将这些点成对连接起来且使得所得到的 条线段两两不交的方案数是 .
??? note "证明" 记 个点的方案数为 .将 个点按顺时针标号,分别为 .由于弦两两不交, 号点只能连接偶数号点;否则,两点之间的奇数个点无法在不穿过两点连线的情况下两两配对.如果连接了 和 ,那么左边有 个点,右边有 个点,由乘法原理,这样的方案数为 .因此,枚举 ,有 .令 ,就得到 Catalan 数的递推关系.由 可知 .
<!-- To make bot happy. Do NOT delete this line. --> -
三角剖分计数问题:对角线不相交的情况下,将一个凸 边形区域分成三角形区域的方法数为 .
??? note "证明" 设 边形三角剖分的方案数为 .先选定一条边 作为基边,它一定属于一个三角形,记该三角形的第三个点为 .这样,原凸多边形变成了三个部分:
<!-- To make bot happy. Do NOT delete this line. -->- 三角形 $(1,k,n+2)$. - $k$ 边形,顶点 $1\sim k$. - $(n+3-k)$ 边形,顶点 $k\sim (n+2)$. 后面两个部分都是子问题,所以,有递推关系 $$ T_n = \sum_{k=2}^{n+1} T_{k-2}T_{n+1-k}. $$ 令 $k=i+2$,就得到 Catalan 数递归关系.由 $T_0=T_1=1$ 可知 $T_n=C_n$. -
二叉树计数问题:含有 个结点的形态不同的二叉树数目为 .等价地,含有 个非叶结点的形态不同的满二叉树数目为 .
??? note "证明" 记 个结点的二叉树数目为 .任取一个根结点,枚举左右子树大小.设左子树大小为 ,则右子树大小为 .左右子树均为子问题,所以,有递推关系
<!-- To make bot happy. Do NOT delete this line. -->$$ T_n = \sum_{i=0}^{n-1}T_iT_{n-1-i}. $$ 这就是 Catalan 数递推关系.由 $T_0=T_1=1$ 可知 $T_n=C_n$. -
括号序列计数问题:由 对括号构成的合法括号序列数为 .
??? note "证明" 联系路径计数问题.将左括号视为向上走,右括号视为向右走.合法括号序列即为,在任意位置,左括号的数量不少于右括号的数量.相当于路径计数问题中,在任意时刻,向上走的次数不少于向右走的次数.因此,合法括号序列与合法路径之间存在双射.合法括号序列的数目同样为 .
<!-- To make bot happy. Do NOT delete this line. --> -
出栈序列计数问题:一个栈(无穷大)的进栈序列为 ,合法出栈序列的数目为 .
??? note "证明" 联系括号序列计数问题.将入栈视为左括号,出栈视为右括号.任意时刻,入栈的次数不少于出栈的次数.因此,合法出栈序列与合法括号序列之间存在双射.合法出栈序列的数目同样为 .
<!-- To make bot happy. Do NOT delete this line. --> -
数列计数问题:由 个 和 个 组成的数列 中,部分和满足 的数列数目为 .
??? note "证明" 联系括号序列计数问题.将 视为左括号, 视为右括号.任意时刻, 的数量不少于 的数量.因此,合法数列与合法括号序列之间存在双射.合法数列的数目同样为 .
尽管这一递推关系应用广泛,但是直接计算复杂度较高,需要寻找更为简单的公式.
常见形式
Catalan 数有如下常见的表达式:
Catalan 数的这些形式都可以高效计算:前两个形式将它转换为阶乘和组合数的计算问题,第三个形式则提供了顺次计算的递推公式.
对于这三种常见形式,本文提供两种证明方式.
代数推演
通过代数方法得出 Catalan 数的上述表达式共两步.首先,验证三个形式相互等价.
证明表达式 等价
只需要证明表达式 可以转化为表达式 中阶乘形式:
以及,表达式 也可以转化为表达式 中阶乘形式:
因此,三个表达式互相等价.
紧接着,验证这些形式确实是 Catalan 数递推公式的解.为此,考虑使用生成函数方法直接求出递推公式 的解.
利用生成函数方法求解递推公式
考虑 Catalan 数的普通生成函数 .由于 Catalan 数的递推关系和卷积形式很相似,所以考虑用卷积构造 的方程:
其中,倒数第二个等号交换了求和次序,并令 .由此,解得:
由初值条件 可知,.代入检验可以发现唯一可行的解就是
接下来,需要将它展开为幂级数的形式.利用 的 幂级数展开式 可知:
其中, 是下降阶乘幂:
代入 的表达式,就有
由此,就得到 的表达式 .
组合意义
由于 Catalan 数具有明显的组合意义,所以只使用组合计数方法同样可以证明这些形式.本节为三个表达式分别提供一个组合意义的证明.
表达式 的证明
考虑 数列计数问题.对于任意由 组成的序列 ,定义它的部分和为 ,并定义它的 超额量(exceedance)为 且 的下标数量.超额量为 ,就等价于数列合法;超额量的取值范围是 ,共 种可能的取值.需要证明的是,不同超额量的数列数量其实是一样的.
为此,可以构造一个从超额量为 的数列到超额量为 的数列的映射 .对于超额量为 的序列 ,取下标 为使得 且 成立的下标最小值.将 左右两侧的序列交换,就得到如下序列 :
由于原序列中 右侧部分在交换前后对应的部分和序列不变,所以它们贡献的超额量也不变.对于原序列中 左侧部分,它们对应的部分和在交换后全部增加 ,因此,它们贡献的超额量会减少,而且减少的数量恰好等于原序列 左侧部分中满足 且 的下标数量.因为 的选取保证了这样的下标有且仅有一个,所以,序列 的超额量就等于 .也就是说,映射 可以将序列的超额量恰好减少 .
映射 是可逆的.注意到序列 中, 对应的位置恰好为满足 且 的下标最大值.这是因为交换后,这些部分和都比交换前对应的部分和恰好大 ,因此,现在的部分和为 对应交换前部分和等于 .但是,根据 的选取,交换前这一部分(即原序列 左侧部分)是没有满足 且 成立的下标的.
由此,映射 构成了超额量为 的序列和超额量为 的序列之间的双射.这就说明,不同超额量的数列数量其实是一样的.由于数列总数是 ,合法数列(即超额量为 的数列)数量就等于
这就证明了 Catalan 数的表达式 .
表达式 的证明
考虑 路径计数问题.这是典型的格路计数问题,可以通过反射原理求解.具体到本问题,考虑用总路径数目减去不合法的路径数目.总路径数一共要走 步,其中 步向右,所以方案数为 .一条路径不合法,当且仅当它碰到了直线 .对于任意一条非法路径,可以找到第一次碰到直线 的位置,并将该位置之后的路径关于直线 做对称.此时,可以发现,一条从 到 的非法路径,变成了一条从 到 的路径.
由于从 到 的路径必定要穿过直线 ,所以每条这样的路径都对应一条从 到 的非法路径.类似总路径数的计算,非法路径数目的总数就是 .因此,合法路径的总数为
这就是 Catalan 数的表达式 .
表达式 的证明
考虑 三角剖分计数问题.设 是凸 边形,固定它的一个边为基边.对于多边形 的每一个三角剖分,都可以选择它的一个非基边(包括三角剖分时新加的边)标记,并定向.这共有 种剖分加标记的方案.又设 是凸 边形,仍固定它的一个边为基边.对于多边形 ,可以选择它的一条非基边标记,然后再做三角剖分.这共有 种标记加剖分的方案.
如图所示,这两组操作得到的结果之间存在明显的双射.对于 剖分并标记的一个结果,可以将它的标记边扩展为三角形,定向所指向的终点扩展为一条新边,并将这条新边打上标记,这就得到对 标记并剖分的一个结果;对于 标记并剖分的一个结果,可以将它的标记边压缩为一个点,并将压缩得到的对角线打上标记,且指向压缩得到的顶点,这就得到对 剖分并标记的一个结果.因此,
稍作整理,并结合 ,就得到 Catalan 数的表达式 .
例题
洛谷 P1044 栈
入栈顺序为 ,求所有可能的出栈顺序的总数.
参考代码
C++
#include <iostream>
using namespace std;
int n;
long long f[25];
int main() {
f[0] = 1;
cin >> n;
for (int i = 1; i <= n; i++) f[i] = f[i - 1] * (4 * i - 2) / (i + 1);
// 这里用的是常见形式 4
cout << f[n] << endl;
return 0;
}
Python
f = [0] * 25
f[0] = 1
n = int(input())
for i in range(1, n + 1):
f[i] = f[i - 1] * (4 * i - 2) // (i + 1)
# 这里用的是常见形式 4
print(f[n])
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