卡塔兰数及模板

一、概念

以比利时的数学家欧仁·查理·卡塔兰 (1814–1894)的名字来命名，

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, ...

令h(0)=1,h(1)=1，catalan数满足递推式[2]  ：

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[3]  ：

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,...)

二、应用

（一）括号化

矩阵连乘： 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)种)

（二）出栈次序

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则，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。

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)

（三）凸多边形三角划分

在一个凸多边形中，通过若干条互不相交的对角线，把这个多边形划分成了若干个三角形。任务是键盘上输入凸多边形的边数n，求不同划分的方案数f（n）。比如当n=6时，f（6）=14。

分析

如果纯粹从f（4）=2，f（5）=5，f（6）=14，……，f（n）=n慢慢去归纳，恐怕很难找到问题的递推式，我们必须从一般情况出发去找规律。

因为凸多边形的任意一条边必定属于某一个三角形，所以我们以某一条边为基准，以这条边的两个顶点为起点P1和终点Pn（P即Point），将该凸多边形的顶点依序标记为P1、P2、……、Pn，再在该凸多边形中找任意一个不属于这两个点的顶点Pk（2<=k<=n-1），来构成一个三角形，用这个三角形把一个凸多边形划分成两个凸多边形，其中一个凸多边形，是由P1，P2，……，Pk构成的凸k边形（顶点数即是边数），另一个凸多边形，是由Pk，Pk+1，……，Pn构成的凸n-k+1边形。

此时，我们若把Pk视为确定一点，那么根据乘法原理，f（n）的问题就等价于——凸k多边形的划分方案数乘以凸n-k+1多边形的划分方案数，即选择Pk这个顶点的f（n）=f（k）×f（n-k+1）。而k可以选2到n-1，所以再根据加法原理，将k取不同值的划分方案相加，得到的总方案数为：f（n）=f（2）f（n-2+1）+f（3）f（n-3+1）+……+f（n-1）f（2）。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-2） （n=2，3，4，……）。

最后，令f（2）=1，f（3）=1。

此处f（2）=1和f（3）=1的具体缘由须参考详尽的“卡特兰数”，也许可从凸四边形f（4）=f（2）f（3）+ f（3）f（2）=2×f（2）f（3）倒推，四边形的划分方案不用规律推导都可以知道是2，那么2×f（2）f（3）=2，则f（2）f（3）=1，又f（2）和f（3）若存在的话一定是整数，则f（2）=1，f（3）=1。（因为我没研究过卡特兰数的由来，此处仅作刘抟羽的臆测）。

类似问题

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？

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？

（四）给定结点组成二叉搜索树

给定N个节点，能构成多少种不同的二叉搜索树？（能构成h（N）个）

（这个公式的下标是从h(0)=1开始的）

（五）n对括号正确匹配的数目

考虑n对括号时的任意一种配对方案，最后一个右括号有唯一的与之匹配的左括号，于是有唯一的表示A(B)，其中A和B也是合法的括号匹配序列

假设S(n)为n对括号的正确配对数目，那么有递推关系S(n)=S(0)S(n-1)+S(1)S(n-2) +...+S(n-1)S(0)，显然S(n)是卡特兰数。

（感谢百度百科）

三、模板

（一）、卡塔兰大数

int a[110][110];    //大数卡特兰数
int b[110];         //卡特兰数的长度 

void Catalan(){     //求卡特兰数
    int i,j,len,carry,tmp;
    a[1][0]=b[1]=1;
    len=1;
    for(i=2;i<=100;i++){
        for(j=0;j<len;j++)     
            a[i][j]=a[i-1][j]*(4*i-2);
        carry=0;
        for(j=0;j<len;j++){     
            tmp=carry+a[i][j];
            a[i][j]=tmp%10;
            carry=tmp/10;
        }
        while(carry){       
            a[i][len++]=carry%10;
            carry/=10;
        }
        //carry=0;
        for(j=len-1;j>=0;j--){  
            tmp=carry*10+a[i][j];
            a[i][j]=tmp/(i+1);
            carry=tmp%(i+1);
        }   
        while(!a[i][len-1])     //高位零处理
            len--;
        b[i]=len;
    }
}

（二）、卡塔兰数与逆元求解

const int mod = 1000000007;
ll Catelan[N];
//用逆元求解 
ll exgcd(ll a, ll b, ll &x, ll &y)
{
    ll d, t;
    if (b == 0){x = 1; y = 0; return a;}
    d = exgcd(b, a%b, x, y);
    t = x;
    x = y;
    y = t - a/b*y;
    return d;
}

void pre()
{
    int i;
    ll x, y;
    Catelan[0] = 1, Catelan[1] = 1;
    for(i = 2; i < N-5; i++)
    {
        Catelan[i] = Catelan[i-1]*(4*i-2) % mod;
        exgcd(i+1, mod, x, y);
        Catelan[i] = (Catelan[i]*((x+mod)%mod)) % mod;
    }
}