浅谈Java利用栈和队列模拟卡特兰数,即出栈序列种类

    卡特兰数又称卡塔兰数(Catalan number),组合数学中一个常出现在各种计数问题中出现的数列,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, ...

卡特兰数Cn满足以下递推关系 

1.通项公式:h(n)=C(n,2n)/(n+1)=(2n)!/((n!)*(n+1)!) = C(n, 2n) - C(n +1, 2n)

卡特兰数常见的应用有出栈序列问题,可以演变出火车进站问题,次序问题等多种情况,还可应用于括号化,凸多边形的三角划分,二叉树搜索问题等很多情景


本算法在数据结构上采用队列代表固定的入栈顺序,另外创建一个队列保留各种合法顺序,以及一个必要的栈

算法利用递归思想,通过对入栈队列,结果队列以及栈内元素数目的判断作为递归相关条件,逐层累积实现模拟全部入栈顺序操作,调用后打印出所有合法序列并统计种类数

同时引申出有限栈的情形,即栈容量小于队列长度,此时不是正常的卡特兰数


package ZPutil;


import javax.swing.*;
import java.util.*;

public class Catalan {

    private static int variety = 1;

    public static final void CTLOutStack(ArrayDeque<Integer> from, ArrayDeque<Integer> to, Stack<Integer> s, int num) {

        Stack<Integer> st = new Stack<>();
        cloneStack(st, s);
        ArrayDeque<Integer> inqueue = new ArrayDeque<>();
        cloneQueue(inqueue, from);
        ArrayDeque<Integer> out = new ArrayDeque<>();
        cloneQueue(out, to);
        if (num < 0 || (st.empty() && inqueue.isEmpty() && out.isEmpty())) {
            return;
        }
        if (pushOutQueue(num, out)) return;
        Stack<Integer> stcopy = new Stack<>();
        cloneStack(stcopy, st);
        ArrayDeque<Integer> outcopy = new ArrayDeque<>();
        cloneQueue(outcopy, out);
        if (!st.empty()) {
            out.addLast(st.pop());
            CTLOutStack(inqueue, out, st,num);

        }
        if (!inqueue.isEmpty()) {
            stcopy.push(inqueue.poll());
            CTLOutStack( inqueue, outcopy,stcopy, num);

        }
    }

    private static boolean pushOutQueue(int num, ArrayDeque<Integer> out) {
        if (out.size() == num) {
            System.out.print("第"+ variety++ +"种   ");
            while (!out.isEmpty()) {
                System.out.print(out.pop());


            }
            System.out.println();
            return true;
        }
        return false;
    }

    public static final void CTLOutStack(ArrayDeque<Integer> from, ArrayDeque<Integer> to, Stack<Integer> s, int num,int stackCol) {

        if (s.size() == (stackCol+1)) return;




        Stack<Integer> st = new Stack<>();
        cloneStack(st, s);
        ArrayDeque<Integer> inqueue = new ArrayDeque<>();
        cloneQueue(inqueue, from);
        ArrayDeque<Integer> out = new ArrayDeque<>();
        cloneQueue(out, to);
        if (num < 0 || (st.empty() && inqueue.isEmpty() && out.isEmpty())) {
            return;
        }
        if (pushOutQueue(num, out)) return;
        Stack<Integer> stcopy = new Stack<>();
        cloneStack(stcopy, st);
        ArrayDeque<Integer> outcopy = new ArrayDeque<>();
        cloneQueue(outcopy, out);
        if (!st.empty()) {
            out.addLast(st.pop());
            CTLOutStack(inqueue, out, st,num,stackCol);

        }
        if (!inqueue.isEmpty()) {
            stcopy.push(inqueue.poll());
            CTLOutStack( inqueue, outcopy,stcopy, num,stackCol);

        }
    }

    private static  void cloneStack(Stack<Integer> stack, Stack<Integer> stack1) {
        for (int i :
                stack1) {
            stack.push(i);

        }
    }
    private static void cloneQueue(ArrayDeque<Integer> deque, ArrayDeque<Integer> deque1) {
        for (int i :
                deque1) {
            deque.addLast(i);

        }
    }



}




 

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