算法: n个元素进栈,共有多少种出栈顺序?

1.基于栈的问题分析
我们把n个元素的出栈个数的记为f(n), 那么对于1,2,3, 我们很容易得出:

                              f(1) = 1     //即 1

                              f(2) = 2     //即 12、21

                              f(3) = 5     //即 123、132、213、321、231

然后我们来考虑f(4), 我们给4个元素编号为a,b,c,d, 那么考虑:元素a只可能出现在1号位置,2号位置,3号位置和4号位置(很容易理解,一共就4个位置,比如abcd,元素a就在1号位置)。

分析:

  1. 如果元素a在1号位置,那么只可能a进栈,马上出栈,此时还剩元素b、c、d等待操作,就是子问题f(3);

  2. 如果元素a在2号位置,那么一定有一个元素比a先出栈,即有f(1)种可能顺序(只能是b),还剩c、d,即f(2), 根据乘法原理,一共的顺序个数为f(1) * f(2);

  3. 如果元素a在3号位置,那么一定有两个元素比1先出栈,即有f(2)种可能顺序(只能是b、c),还剩d,即f(1),

    根据乘法原理,一共的顺序个数为f(2) * f(1);

  4. 如果元素a在4号位置,那么一定是a先进栈,最后出栈,那么元素b、c、d的出栈顺序即是此小问题的解,即f(3);

结合所有情况,即f(4) = f(3) + f(2) * f(1) + f(1) * f(2) + f(3);

为了规整化,我们定义f(0) = 1;于是f(4)可以重新写为:

f(4) = f(0)*f(3) + f(1)*f(2) + f(2) * f(1) + f(3)*f(0)

然后我们推广到n,推广思路和n=4时完全一样,于是我们可以得到:

f(n) = f(0)*f(n-1) + f(1)*f(n-2) + … + f(n-1)*f(0)

但这只是一个递推公式(若编程实现,需要维护一个一维数组,时间复杂度为O(n^2))。怎么把它转化为通项公式呢,复杂度仅为O(1)?

通项公式的求解可以参见链接
这里只写出结论:
c(2n,n)/(n+1) = 2n2(n-1)2(n-2)……n/ [n(n-1)(n-2)……1]
另外,关于C(2n,n)的计算为 2n!/n!(2n-n)!

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