n節點組成二叉樹的個數
可以分析,當n=1時,只有1個根節點,則只能組成1種形態的二叉樹,令n個節點可組成的二叉樹數量表示為h(n),則h(1)=1; h(0)=0;
當n=2時,1個根節點固定,還有2-1個節點。這一個節點可以分成(1,0),(0,1)兩組。即左邊放1個,右邊放0個;或者左邊放0個,右邊放1個。即:h(2)=h(0)*h(1)+h(1)*h(0)=2,則能組成2種形態的二叉樹。
當n=3時,1個根節點固定,還有2個節點。這2個節點可以分成(2,0),(1,1),(0,2)3組。即h(3)=h(0)*h(2)+h(1)*h(1)+h(2)*h(0)=5,則能組成5種形態的二叉樹。
以此類推,當n>=2時,可組成的二叉樹數量為h(n)=h(0)*h(n-1)+h(1)*h(n-2)+...+h(n-1)*h(0)種,即符合Catalan數的定義,可直接利用通項公式得出結果。
令h(1)=1,h(0)=1,catalan數(卡特蘭數)滿足遞迴式:
h(n)= h(0)*h(n-1)+h(1)*h(n-2) + ... + h(n-1)h(0) (其中n>=2)
另類遞迴式:
h(n)=((4*n-2)/(n+1))*h(n-1);
該遞推關係的解為:
h(n)=C(2n,n)/(n+1) (n=1,2,3,...)
擴充套件:
卡特蘭數的應用 (實質上都是遞迴等式的應用)
1、括號化問題 矩陣鏈乘: P=a1×a2×a3×……×an,依據乘法結合律,不改變其順序,只用括號表示成對的乘積,試問有幾種括號化的方案?(h(n)種)
2、出棧次序問題 一個棧(無窮大)的進棧序列為1,2,3,…,n,有多少個不同的出棧序列?
分析
對於每一個數來說,必須進棧一次、出棧一次。我們把進棧設為狀態‘1’,出棧設為狀態‘0’。n個數的所有狀態對應n個1和n個0組成的2n位二進位制數。由於等待入棧的運算元按照1‥n的順序排列、入棧的運算元b大於等於出棧的運算元a(a≤b),因此輸出序列的總數目=由左而右掃描由n個1和n個0組成的2n位二進位制數,1的累計數不小於0的累計數的方案種數。
在2n位二進位制數中填入n個1的方案數為c(2n,n),不填1的其餘n位自動填0。從中減去不符合要求(由左而右掃描,0的累計數大於1的累計數)的方案數即為所求。
不符合要求的數的特徵是由左而右掃描時,必然在某一奇數位2m+1位上首先出現m+1個0的累計數和m個1的累計數,此後的2(n-m)-1位上有n-m個 1和n-m-1個0。如若把後面這2(n-m)-1位上的0和1互換,使之成為n-m個0和n-m-1個1,結果得1個由n+1個0和n-1個1組成的2n位數,即一個不合要求的數對應於一個由n+1個0和n-1個1組成的排列。
反過來,任何一個由n+1個0和n-1個1組成的2n位二進位制數,由於0的個數多2個,2n為偶數,故必在某一個奇數位上出現0的累計數超過1的累計數。同樣在後面部分0和1互換,使之成為由n個0和n個1組成的2n位數,即n+1個0和n-1個1組成的2n位數必對應一個不符合要求的數。
因而不合要求的2n位數與n+1個0,n-1個1組成的排列一一對應。
顯然,不符合要求的方案數為c(2n,n+1)。由此得出 輸出序列的總數目=c(2n,n)-c(2n,n+1)=1/(n+1)*c(2n,n)。
(這個公式的下標是從h(0)=1開始的)
類似問題
有2n個人排成一行進入劇場。入場費5元。其中只有n個人有一張5元鈔票,另外n人只有10元鈔票,劇院無其它鈔票,問有多少中方法使得只要有10元的人買票,售票處就有5元的鈔票找零?(將持5元者到達視作將5元入棧,持10元者到達視作使棧中某5元出棧)
3、凸多邊形的三角剖分問題 求將一個凸多邊形區域分成三角形區域的方法數。
類似:一位大城市的律師在她住所以北n個街區和以東n個街區處工作。每天她走2n個街區去上班。如果她從不穿越(但可以碰到)從家到辦公室的對角線,那麼有多少條可能的道路?
類似:在圓上選擇2n個點,將這些點成對連線起來使得所得到的n條線段不相交的方法數?
4、 用給定節點組成二叉樹的問題 給定N個節點,能構成多少種不同的二叉樹?
(能構成h(N)個)