出栈次序问题——卡特兰数

题目:

X星球特别讲究秩序,所有道路都是单行线。一个甲壳虫车队,共16辆车,按照编号先后发车,夹在其它车流中,缓缓前行。

路边有个死胡同,只能容一辆车通过,是临时的检查站,如图【p1.png】所示。

X星球太死板,要求每辆路过的车必须进入检查站,也可能不检查就放行,也可能仔细检查。
如果车辆进入检查站和离开的次序可以任意交错。那么,该车队再次上路后,可能的次序有多少种?
为了方便起见,假设检查站可容纳任意数量的汽车。
显然,如果车队只有1辆车,可能次序1种;2辆车可能次序2种;3辆车可能次序5种。
现在足足有16辆车啊,亲!需要你计算出可能次序的数目

分析:很容易看的出来,就是一道求出栈次序的题目,即问n个元素进栈,有多少不同出栈可能。
就这道题目进行分析: (原文地址:http://blog.csdn.net/u014552756/article/details/51394245

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)

代码1:
#include <stdio.h>
int main()
{
    int f[20];
    int i,j;
    f[0]=1;
    f[1]=1;
    f[2]=2;
    f[3]=5;
    for(i=4;i<=16;i++)
        f[i]=0;//注意必须给其他数组置0
    for(i=4; i<=16; i++) //求16个元素
    {
        for(j=0; j<=i-1; j++)
            f[i]+=f[j]*f[i-1-j];
    }
    printf("%d",f[16]);
    return 0;
}
这道题目也可以直接用卡特兰数( c atalan)的递推公式h(n)=h(n-1)*(4*n-2)/(n+1) 解决

代码2:

#include <stdio.h>
int main()
{
    int n,h[20];
    h[0]=1;
    h[1]=1;
    for(n=2;n<=16;n++)
        h[n]=h[n-1]*(4*n-2)/(n+1);
    printf("%d\n",h[16]);
    return 0;
}



令h(0)=1,h(1)=1,catalan数满足递推式[1]

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[2]

h(n)=h(n-1)*(4*n-2)/(n+1);

递推关系的解为:

h(n)=C(n,2n)*(2n-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,...)


关于卡特兰数,有下面几个比较好的文章,(若点击不能自动跳转,可手动复制网址)
卡特兰数的初步学习(http://www.cnblogs.com/code-painter/p/4417354.html
折现法——卡特兰数证明(http://blog.sina.com.cn/s/blog_6917f47301010cno.html



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