卡特兰数-N个结点二叉树个数

本文探讨了N个结点的二叉树个数问题,通过堆栈的出入栈操作与二叉树的遍历思想进行分析。入栈序列为1,2,3,...,n时,对应的出栈序列数量等于二叉树的个数,这与前序遍历和中序遍历的对应关系有关。通过证明这种问题的解与卡特兰数的等价性,简化了问题的解决方法。" 128163808,7613902,JavaWeb党员信息管理系统开发,"['Java开发', 'Web开发', '信息管理系统', '党员管理']

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      N个结点二叉树个数(不用卡特兰数求解)
对于一个堆栈、若其入栈序列为1,2,3,……,n,不同的出入栈操作将产生不同的出栈序列。其出栈序列的个数正好等于结点个数为n的二叉树的个数,且与不同形态的二叉树一一对应。请简要叙述一种从堆栈输入(固定为1,2,3,……,n)/ 输出序列对应一种二叉树形态的方法,并以入栈序列1,2,3(即n=3)为例加以说明。 



本题考查栈的出入栈操作、二叉树的遍历思想。由于二叉树前序遍历序列和中序遍历序列可唯一确定一棵二叉树。因此,若入栈序列为1,2,3,……,n,相当于前序遍历序列是1,2,3,……,n,出栈序列就是该前序遍历对应的二叉树的中序序列的数目。

### 计算3个节点的二叉树的不同形态 对于含有3个节点的二叉树,可以采用递归的方法计算不同形态的量。具体来说,在固定一个节点作为根节点的情况下,剩余的2个节点可以在左子树和右子树之间分配。 #### 左右子树的可能分配方案如下: - 当全部2个节点都在左子树时,对应的表达式为 \(f(2)\),此时右子树为空; - 当1个节点位于左子树,另1个节点位于右子树时,则对应于\(f(1) * f(1)\); - 同理,当全部2个节点都放在右子树上时,同样表示为\(f(2)\), 此刻左子树为空; 因此,总的组合可以通过上述三种情形相加得到,即\[f(3)=f(2)+f(1)*f(1)+f(2)[^3]\] 考虑到基础条件:只有一个节点的时候只有一种可能性(单个孤立节点),以及零个节点也视为一种合法状态——空树,所以有: - \(f(0)=1\) - \(f(1)=1\) 进一步地,通过观察发现,此问题实际上是一个卡特兰的应用实例[^1]。对于任意正整n, 卡特兰C(n)给出了具有n+1个叶子节点的满二叉查找树目。这里所说的“满”,意味着除了叶节点外所有的内部节点都有两个孩子。但是由于题目中的描述并未限定必须是完全二叉树或二叉搜索树,故而此处直接应用到一般意义上的二叉树也是合理的。 综上所述,经过简单的代入运算可得: \[f(2)=f(1)f(0)+f(0)f(1)=1*1+1*1=2\] 最终求解出: \[f(3)=f(2)+f(1)*f(1)+f(2)=2+1*1+2=5\] 这意味着存在五种互不相同的三节点二叉树结构。 ```python def num_trees(n): if n == 0 or n == 1: return 1 catalan = [0]*(n+1) catalan[0], catalan[1] = 1, 1 for i in range(2, n + 1): for j in range(i): catalan[i] += catalan[j]*catalan[i-j-1] return catalan[n] print(num_trees(3)) ```
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