Правильные скобочные последовательности

Правильные скобочные последовательности

Определение:

Скобочная последовательность - класс комбинаторных объектов, представляющий собой последовательность скобочных символов.

Пример:

(())))(

Определение:

Правильная скобочная последовательность - частный случай скобочной последовательности, определяющийся следующими образами:

- ""(пустая строка) есть правильная скобочная последовательность;
- правильная скобочная последовательность, взятая в скобки есть правильная скобочная последовательность;(*)
- скобочная последовательность, к которой приписана слева или справа другая скобочная последовательность, есть правильная скобочная последовательность;

Пример:

(())(()())

Алгоритм проверки правильности скобочной последовательности

Пусть нам дана скобочная последовательность записанная в строку s. Возьмем переменную a, a = 0. Будем последовательно перебирать все символы этой строки. Если мы встречаем открывающуюся скобку, то увеличиваем a на 1, закрывающую - уменьшаем на 1. Если на протяжении всего перебора a было неотрицательным и после завершения осталось нулем, то скобочная последовательность правильна.

псевдокод:

 function check(s: string): boolean;
   var 
     i, a :integer;
     begin
       a := 0
       for i := 1 to length(s) do  {перебираем последовательно все символы строки (подразумевается, что в ней нет символов отличных от "(" и ")")}
         begin
           if s[i] = '(' then  {проверяем символ и производим соответствующие действия над переменной a}
           inc(a)
           else
           dec(a);
           if a < 0 then
           check := false;  
         end;
       if a = 0 then  {проверяем на равенство нулю}
       check := true
       else
       check := false;
     end;

Надо отметить что, скобочные последовательности могут состоять не только из одного типа скобок, при этом недопустимо такое расположение, когда один тип скобок закрывает другой:

Пример:

()[()]{()()[]} - верно

[(]{}) - неверно

В этом случае для проверки надо будет использовать стек.

Лексикографический порядок порядок правильных скобочных последовательностей

Для того чтобы определить лексикографический порядок для правильных скобочных последовательностей будем интерпретировать открывающуюся скобку как "0", а закрывающуюся как "1"(**). Тогда первая последовательность с n открывающимися скобками будет иметь вид:

((((...((()))...)))) (***)

0000...000111...1111

что соответствует самому маленькому возможному числу, а последняя:

()()...()()()...()()

0101...010101...0101

что соответствует самому большому возможному числу.

Для последовательностей с разным типом скобок надо определять свой порядок, например "("<"["<")"<"]".

Примеры лексикографического порядка для n и k, где n - число открывающихся скобок, а k - число видов скобок:

n = 3;

k = 1

((()))

(()())

(())()

()(())

()()()

n = 2;

k = 2;

()[]

([])

[()]

[]()

Алгоритм генерации лексикографического порядка будет предложен ниже.

Количество правильных скобочных последовательностей. Числа Каталана

Количество правильных скобочных последовательностей со скобками одного типа совпадает с числами Каталана.

Числа Каталана представляют собой:

- количество неизоморфных упорядоченных бинарных деревьев с корнем и n+1 листьями;
- Количество способов соединения 2n точек на окружности n непересекающимися хордами;
- количество разбиений выпуклого (n+2)-угольника на треугольники непересекающимися диагоналями;
- Количество правильных скобочных последовательностей имеющих n открывающихся скобок.

Числа Каталана удовлетворяют следующему рекурентному соотношению:

c_0 = 1; - так как существует только одна скобочная последовательность с 0 открывающихся скобок - пустая

C_n = (Сумма по i от 1 до n - 1) C_i * C_(n - 1 - i).

Это соотношение легко получается из (*). Для этого надо перебрать все возможные последовательности d_1 и d_2, являющиеся правильными скобочными последовательностями, такие, что (d_1)d_2 образуют новые правильные скобочные последовательности необходимой нам длины.

Алгоритмы для генерации следующей правильной скобочной последовательности в лексекографическом порядке и самого лексикографического порядка

Генерация следующей скобочной последовательности:

Пусть нам известна строка s, представляющая собой правильную скобочную последовательность. Нам необходимо вывести следующую скобочную последовательность, а если ее нет, то - "No solution". Воспользуемся интерпретацией (**). Чтобы получить следующий битовый вектор надо найти самый последний нулевой элемень, заменить его на единицу, а элементы следующие за ним сделать минимально возможными(все нули). Тоже самое и со скобочными последовательностями, только после замены нуля на единицу оставшиеся скобки надо расположить в минимальном порядке (в виде (***)):

 function next(var s: string): boolean;
   var 
     i, k, l:integer;    
   begin  
     k := 0;  {счетчик для закрывающихся скобок}
     l := 0;  {счетчик для закрывающихся скобок}
     for i := length(s) downto 1 do  {Начинаем перебирать скобки с конца}
       begin
         if s[i] = '(' then 
           begin
             inc(l);  
             if k > l then  {встретив открывающуюся скобку, которую можно поменять на закрывающуюся, меняяем ее и выходим из цикла}
             break;
           end 
         else 
         inc(k);
       end;
     delete(s, length(s) - l - k + 1, k + l);  {удаляем все скобки включая открывающуюся}
     if s =  then
     next := false
     else
       begin
         s := s +')';  {записываем закрывающуюся скобку}
         for j := 1 to l do  {расставляем скобки в минимально возможном порядке}
         s := s + '(';
         for j := 1 to k - 1 do
         s := s + ')';
         next := true;
       end;
   end;

Если эта функция после выполнения выводит true тогда надо напечатать полученную строку s, если false, то следует вывести "No solution".

Получение лексикографического порядка:

Пусть нам известно число n. Надо вывести все правильные скобочные последовательности в лексикографическом порядке с n открывающимися скобками:

 procedure (n: integer);
   var
     s: string;
     j: integer;
     t: boolean;
     begin
       s := ;
       if n = 0 then
       writeln()
       else
         begin
           for j := 1 to n do  {создаем начальную строку}
           s := s + '(';
           for j := 1 to n do
           s := s + ')';
           writeln(s);
           t := next(s);
           while t <> false do  {выполняем до тех пор пока не будет получена последняя последовательность}
             begin
               writeln(s);
               t := next(s);
             end;
         end;
     end;

Так же с помощью этого алгоритма можно получить скобочную последовательность по номеру и номер по скобочной последовательности, добавив сравнение с нужной последовательностью и счетчик. Но это далеко не самый оптимальный алгоритм для подобного типа задач и он не будет нормально работать для больших n.