卡塔兰数

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卡塔兰数組合數學中一個常在各種計數問題中出現的數列。以比利時的數學家欧仁·查理·卡塔兰18141894)命名。

卡塔兰数的一般項公式為 C_n = \frac{1}{n+1}{2n \choose n} = \frac{(2n)!}{(n+1)!n!}

前幾項為(OEIS中的数列A000108): 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, 18367353072152, 69533550916004, 263747951750360, 1002242216651368, 3814986502092304, 14544636039226909, 55534064877048198, 212336130412243110, 812944042149730764, 3116285494907301262, 11959798385860453492, 45950804324621742364, ...

性质[编辑]

Cn的另一个表达形式为C_n = {2n\choose n} - {2n\choose n+1} \quad\mbox{ for }n\ge 1 所以,Cn是一个自然数;这一点在先前的通项公式中并不显而易见。这个表达形式也是André对前一公式证明的基础。(见下文的第二个证明。)

递推关系

C_0 = 1 \quad \mbox{and} \quad C_{n+1}=\sum_{i=0}^{n}C_i\,C_{n-i}\quad\mbox{for }n\ge 0.

它也满足

C_0 = 1 \quad \mbox{and} \quad C_{n+1}=\frac{2(2n+1)}{n+2}C_n,

这提供了一个更快速的方法来计算卡塔兰数。

卡塔兰数的渐近增长为

C_n \sim \frac{4^n}{n^{3/2}\sqrt{\pi}}

它的含义是左式除以右式的商趋向于1当n → ∞。(这可以用n!的斯特灵公式来证明。)

所有的奇卡塔兰数Cn都满足n=2^k-1。所有其他的卡塔兰数都是偶数。

应用[编辑]

组合数学中有非常多的组合结构可以用卡塔兰数来计数。在Richard P. Stanley的Enumerative Combinatorics: Volume 2一书的习题中包括了66个相异的可由卡塔兰数表达的组合结构。以下用n=3和n=4举若干例:

  • Cn表示长度2n的dyck word的个数。Dyck word是一个有n个X和n个Y组成的字串,且所有的前缀字串皆满足X的个数大于等于Y的个数。以下为长度为6的dyck words:
XXXYYY XYXXYY XYXYXY XXYYXY XXYXYY
  • 将上例的X换成左括号,Y换成右括号,Cn表示所有包含n组括号的合法运算式的个数:
((())) ()(()) ()()() (())() (()())
  • Cn表示有n个节点组成不同构二叉树的方案数。下图中,n等于3,圆形表示节点,月牙形表示什么都没有。
  • Cn表示有2n+1个节点组成不同构满二叉树(full binary tree)的方案数。下图中,n等于3,圆形表示内部节点,月牙形表示外部节点。本质同上。
Catalan number binary tree example.png

证明:

令1表示进栈,0表示出栈,则可转化为求一个2n位、含n个1、n个0的二进制数,满足从左往右扫描到任意一位时,经过的0数不多于1数。显然含n个1、n个0的2n位二进制数共有{2n \choose n}个,下面考虑不满足要求的数目。

考虑一个含n个1、n个0的2n位二进制数,扫描到第2m+1位上时有m+1个0和m个1(容易证明一定存在这样的情况),则后面的0-1排列中必有n-m个1和n-m-1个0。将2m+2及其以后的部分0变成1、1变成0,则对应一个n+1个0和n-1个1的二进制数。反之亦然(相似的思路证明两者一一对应)。

从而C_n = {2n \choose n} - {2n \choose n + 1} = \frac{1}{n+1}{2n \choose n}。证毕。

  • Cn表示所有在n × n格点中不越过对角线的单调路径的个数。一个单调路径从格点左下角出发,在格点右上角结束,每一步均为向上或向右。计算这种路径的个数等价于计算Dyck word的个数:X代表“向右”,Y代表“向上”。下图为n = 4的情况:
Catalan number 4x4 grid example.svg
  • Cn表示通过连结顶点而将n + 2边的凸多边形分成三角形的方法个数。下图中为n = 4的情况:
Catalan-Hexagons-example.svg
  • Cn表示对{1, ..., n}依序进出置换个数。一个置换w是依序进出栈的当S(w) = (1, ..., n),其中Sw)递归定义如下:令w = unv,其中nw的最大元素,uv为更短的数列;再令S(w) = S(u)S(v)n,其中S为所有含一个元素的数列的单位元。
  • Cn表示用n个长方形填充一个高度为n的阶梯状图形的方法个数。下图为n = 4的情况:
Catalan stairsteps 4.svg