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4.3 買票找零 卡特蘭數

《程式設計之美》中提到了“買票找零”問題,查閱了下資料,此問題和卡特蘭數 Cn有關,其定義如下:

image

卡特蘭數真是一個神奇的數字,很多組合問題的數量都和它有關係,例如:

  • Cn= 長度為 2n的 Dyck words的數量。 Dyck words是由 n個 X和 n個 Y組成的字串,並且從左往右數, Y的數量不超過 X,例如長度為 6的 Dyck words為:

XXXYYY XYXXYY XYXYXY XXYYXY XXYXYY

  • Cn= n對括號正確匹配組成的字串數,例如 3對括號能夠組成:

((())) ()(()) ()()() (())() (()())

  • Cn= n+1個數相乘,所有的括號方案數。例如, 4個數相乘的括號方案為:

 
((ab)c)d (a(bc))d (ab)(cd) a((bc)d) a(b(cd))

  • Cn= 擁有 n+1 個葉子節點的二叉樹的數量。例如 4個葉子節點的所有二叉樹形態:

Catalan number binary tree example.png

  • Cn=n*n的方格地圖中,從一個角到另外一個角,不跨越對角線的路徑數,例如, 4×4方格地圖中的路徑有:

Catalan number 4x4 grid example.svg

  • Cn= n+2條邊的多邊形,能被分割成三角形的方案數,例如 6邊型的分割方案有:

Catalan-Hexagons-example.svg

  • Cn= 圓桌周圍有 2n個人,他們兩兩握手,但沒有交叉的方案數。

在《Enumerative Combinatorics》一書中,竟然提到了多達 66種組合問題和卡特蘭數有關。

分析

    “卡特蘭數”除了可以使用公式計算,也可以採用“分級排列法”來求解。以 n對括弧的合法匹配為例,對於一個序列 (()而言,有兩個左括弧,和一個右括弧,可以看成“抵消了一對括弧,還剩下一個左括弧等待抵消”,那麼說明還可以在末尾增加一個右括弧,或者一個左括弧,沒有左括弧剩餘的時候,不能新增右括弧。
    由此,問題可以理解為,總共 2n個括弧,求 1~2n級的情況,第 i 級儲存所有剩餘 i 個左括號的排列方案數。 1~8級的計算過程如下表:

image

    計算過程解釋如下: 1級:只能放 1個“(”; 2級:可以在一級末尾增加一個“)”或者一個“ (”
以後每級計算時,如果遇到剩餘 n>0個“(”的方案,可以在末尾增加一個“ (”或者“ )”進入下一級;遇到剩餘 n=0個“(”的方案,可以在末尾增加一個“ (”進入下一級。

奇數級只能包含剩餘奇數個“(”的排列方案
偶數級只能包含剩餘偶數個“(”的排列方案

從表中可以看出,灰色部分可以不用計算。

解法

關鍵程式碼為:

        double Catalan(int n)
        {
            if (n == 0) return 1; for (int
i = 2; i <= 2 * n; i++) { var m = i <= n ? i : 2 * n + 1 - i; for (int j = (i - 1) & 1; j <= m; j += 2) { if (j > 0) arr[j - 1] += arr[j]; if (j < n) arr[j + 1] += arr[j]; arr[j] = 0; } } return arr[0]; }

其中:
n為 Cn中的 n;
arr = new double[n + 1];//arr[i]代表有 k個括弧的時候,剩餘 "("個數為 i的排列方案個數 arr[1] = 1;

討論

演算法複雜度為 image = O(n^2),空間複雜度為 O(n+1)。相對於利用公式計算而言,此方法的優勢在於——沒有乘除法,只有加法。

   數學真的是很神奇的東西,可惜自己的數學奇爛無比!