卡塔兰数

✍ dations ◷ 2025-04-04 11:05:22 #整数数列,阶乘与二项式主题,置换,随机矩阵

卡塔兰数是组合数学中一个常在各种计数问题中出现的数列。以比利时的数学家欧仁·查理·卡特兰(1814–1894)命名。历史上,清朝数学家明安图(1692年-1763年)在其《割圜密率捷法》中最先发明这种计数方式,远远早于卡塔兰。有中国学者建议将此数命名为“明安图数”或“明安图-卡塔兰数”。

卡塔兰数的一般项公式为

C n = 1 n + 1 ( 2 n n ) = ( 2 n ) ! ( n + 1 ) ! n ! {\displaystyle C_{n}={\frac {1}{n+1}}{2n \choose n}={\frac {(2n)!}{(n+1)!n!}}} 的另一个表达形式为

C n = ( 2 n n ) ( 2 n n + 1 )  for  n 1 {\displaystyle C_{n}={2n \choose n}-{2n \choose n+1}\quad {\mbox{ for }}n\geq 1} 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https://en.wikipedia.org/wiki/Catalan_number#Second_proof。)

递推关系:

它也满足

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

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

所有的奇卡塔兰数都满足 n = 2 k 1 {\displaystyle n=2^{k}-1} 令1表示进栈,0表示出栈,则可转化为求一个位、含个1、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。显然含个1、个0的位二进制数共有 ( 2 n n ) {\displaystyle {2n \choose n}} 个1、个0的2n位二进制数,扫描到第位上时有个0和个1(容易证明一定存在这样的情况),则后面的0-1排列中必有个1和个0。将及其以后的部分0变成1、1变成0,则对应一个个0和个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 = ( 2 n n ) ( 2 n n + 1 ) = 1 n + 1 ( 2 n n ) {\displaystyle C_{n}={2n \choose n}-{2n \choose n+1}={\frac {1}{n+1}}{2n \choose n}} 的取值为多少,×的汉克尔矩阵: A i , j = C i + j 2 .   {\displaystyle A_{i,j}=C_{i+j-2}.\ } = 4 时我们有

进一步,无论的取值为多少,如果矩阵被移动成 A i , j = C i + j 1 .   {\displaystyle A_{i,j}=C_{i+j-1}.\ } = 4 时我们有

同时,这两种情形合在一起唯一定义了卡塔兰数。

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