卡特兰数的应用:12个高矮不同的人,排成两排,每排必须是从矮到高排列,而且第二排比对应的第一排的人高,问排列方式有多少种?

探讨了将12人按身高分为两排且后排高于前排的问题,通过入栈和出栈序列与卡特兰数的应用,解析了排列方式的总数。

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从题目可知,要把12个人分成两排,而且每个人的身高都不一样,所以不管怎么分组,他们的身高都可以按从小到大排列,只是要求第二排比对应第一排的人高。
我的思路是,把这个问题化成出栈次序(典型的卡特兰数的应用)求解。
因为每排有6个人,所以,设第一排的6个人分别为A,B,C,D,E,F(还不确定他们是12个人中的哪一个)
对这(A,B,C,D,E,F)执行入栈和出栈(从A到F),从他们出栈序列就可以找到这A,B,C,D,E,F是12个人中的具体哪一个。
我的方法是:
假设这12个人的身高分别为1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12
设入栈为“1”,出栈为“0”,这样一系列的入栈和出栈就可以由一串1和0构成。例如出栈序列为A,B,C,D,E,F,则对应的这一串1和0为:101010101010。利用这串1和0,就可以找到这12个人哪个是第一排的,哪个是第二排的。把这12个人的身高从小到大排列,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12
利用刚刚得到的那串1和0,和他们的身高序列一一对上。则对应1的身高为1,3,5,7,9,11;对应0的身高为2,4,6,8,10,12。1对应的其实就是第一排的人,0对应的就是第二排的人。再看看出栈序列为A,C,D,B,F,E对应的1和0串为:101101001100,则第一排的身高序列为1,3,4,6,9,10;第二排的身高序列为2,5,7,8,11,12。这样,每一种出栈序列就对应每一种排列方式,而且是一一对应的。因为出栈序列是典型的卡特兰数的应用(百度百科就有举例),这样就可以很直接的写出结果C(12,6)/(6+1)=132,则总共有132种排列方式。
下面解释为什么可以用那一串1和0就可以确定他们的排列方式
因为出栈总是相对于入栈的,要想出栈,则必定先有入栈。所以1总是先于0出现,也就是说可以先找到身高比较矮的插入第一排,把身高比之前插入第一排的还要高的插入第二排(每一个0对应的身高都比前面所有的1对应的身高还要高,而且0和1的数量又是相等的,第几个1对应第几个0),这样就可以全部找到第二排比对应的第一排的人高的全部排列方式。不同的出栈序列决定不同的排列方式。有多少种出栈序列就有多少种排列方式,这样就很明显看出来是卡特兰数的应用了。

这道题可以使用回溯法来解决。我们可以先将 N 个按照身排序,然后将其分成两组,每组有 N/2 个。接着,我们从第一组中选择一个作为第一排的第一个,从第二组中选择一个比他作为第二排的第一个,然后递归地考虑剩下的。 具体地,我们可以定义一个函 `backtrack`,它的参包括两个组 `first` 和 `second`,分别表示第一排第二排已经选择的;以及一个整 `n`,表示还需要从第一组和第二组中选择的。函的实现如下: ```cpp void backtrack(vector<int>& first, vector<int>& second, int n) { if (n == 0) { // 所有都已经选择完毕,输出结果 for (int i = 0; i < first.size(); i++) { cout << first[i] << " "; } cout << endl; for (int i = 0; i < second.size(); i++) { cout << second[i] << " "; } cout << endl; return; } // 从第一组中选择一个作为第一排的下一个 int start = first.empty() ? 0 : first.back() + 1; for (int i = start; i < N; i++) { // 从第二组中选择一个比他作为第二排的下一个 for (int j = 0; j < second.size(); j++) { if (height[i] > height[second[j]]) { // 符合条件,将这两个加入第一排第二排,继续递归 first.push_back(i); second.push_back(j); backtrack(first, second, n - 1); // 回溯,撤销选择 first.pop_back(); second.pop_back(); } } } } ``` 我们可以在主函中调用 `backtrack` 函,如下所示: ```cpp int main() { vector<int> first, second; backtrack(first, second, N/2); return 0; } ``` 完整代码如下:
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