1632
правки
Изменения
м
<tex>C_n = \sum\limits_{k = 0}^{n - 1}C_k C_{n - k - 1},</tex> если <tex>n > 0</tex>
В рекуррентном соотношении домножаем Домножаем <tex>C_n</tex> на <tex>z^n</tex>, получая
<tex>z^n \cdot C_n = \begin{cases}z^0 = 1,&\text{если $n = 0$;}\\z^n \sum\limits_{k = 0}^{n - 1}C_k C_{n - k - 1},</tex> &\text{если <tex>$n > 0</tex>$.}\end{cases}
Суммируя <tex>C_n z^n</tex> по всем <tex>n</tex>, получаем:
rollbackEdits.php mass rollback
===Аналитическая формула===
<tex dpi = 150> C_n = \fracdfrac{1}{n+1} \binom dbinom {2n} {n} </tex>
====Доказательство====
Сместим правильный путь на одну клетку вниз. Теперь правильный путь начинается в точке
<tex dpi = 120> (0, -1) </tex>, заканчивается в точке <tex dpi = 120> (n, n-1) </tex> и не имеет общих точек с прямой <tex dpi = 120> y = x </tex> — биссектрисой первого квадранта. Нам нужно найти количество правильных путей. Для этого мы найдем количество неправильных, и из общего числа путей вычтем количество неправильных. Мы рассматриваем пути из точки <tex fpi = 120> (0, -1) </tex> в точку <tex dpi = 120> (n, n-1) </tex>. Длина такого пути равна <tex dpi = 120>2n</tex> и он содержит <tex dpi = 120>n</tex> вертикальных сегментов и <tex dpi = 120>n</tex> горизонтальных. Количество всех таких путей равно числу способов выбрать <tex dpi = 120>n</tex> вертикальных сегментов из общего числа <tex dpi = 120>2n</tex> сегментов, т.е. равно <tex dpi = 135> \binom dbinom {2n}{n} </tex>.
Рассмотрим неправильный путь и его первую точку на прямой <tex dpi = 120> y = x </tex> (точка <tex dpi = 120>A</tex>). Отрезок пути от точки <tex dpi = 120>(0, -1)</tex> до точки <tex dpi = 120>A</tex> заменим симметричным относительно прямой <tex dpi = 120>y = x</tex>. Мы получим путь длины <tex dpi = 120>2n</tex>, идущий из точки <tex dpi = 120>(-1, 0)</tex> в точку <tex dpi = 120>(n, n-1)</tex> (Смотри рис.).
[[Файл:Каталан2.PNG|right]]
Такой путь обязательно пересекает прямую <tex dpi = 120> y = x </tex>. Обратно, пусть нам дан путь длины <tex dpi = 120> 2n </tex> из точки <tex dpi = 120>(-1, 0)</tex> в точку <tex dpi = 120>(n, n-1)</tex> и пусть <tex dpi = 120> A </tex> — первая точка этого пути, лежащая на прямой <tex dpi = 120>y = x</tex>. Заменив участок пути от точки <tex dpi = 120>(-1, 0)</tex> до точки <tex dpi = 120>A</tex> на симметричный относительно прямой <tex dpi = 120>y = x</tex>, мы получим неправильный путь из точки <tex dpi = 120>(0, -1)</tex> в точку <tex dpi = 120>(n, n-1)</tex>. Следовательно, неправильных путей из точки <tex dpi = 120>(0, -1)</tex> в точку <tex dpi = 120>(n, n-1)</tex> столько же, сколько путей из точки <tex dpi = 120>(-1, 0)</tex> в
точку <tex dpi = 120>(n, n-1)</tex>. Такой путь длины <tex dpi = 120>2n</tex> содержит <tex dpi = 120>n+1</tex> горизонтальных и <tex dpi = 120>n-1</tex> вертикальных участков. Поэтому, количество таких путей равно <tex dpi = 135> \binom dbinom {2n}{n-1} </tex>. Значит, количество правильных путей (т.е. число Каталана <tex dpi = 120>C_n</tex>) равно
<tex dpi = 150> C_n = \binom dbinom {2n} {n} - \binom dbinom {2n} {n-1} = \fracdfrac{2n!}{n!n!} - \fracdfrac{2n!}{(n-1)!(n+1)!} = \fracdfrac{2n!}{n!} (\fracdfrac{1}{n!} - \fracdfrac{1}{(n-1)! (n+1)}) = \fracdfrac{2n!}{n!n!(n+1)} = \fracdfrac{1}{n+1} \binom dbinom {2n} {n} </tex>
==Задача разбиения выпуклого <tex dpi = 155 > n </tex>—угольника на треугольники не пересекающимися диагоналями==
Числа Каталана просто посчитать с помощью рекуррентной формулы. Для этого понадобится <tex dpi = 120>O(n)</tex> памяти и <tex dpi = 120>O(n^2)</tex> времени. За <tex dpi = 120>O(n)</tex> времени их можно посчитать, если использовать аналитическую формулу. Также из аналитической формулы можно выразить простую реккурентную формулу:
<tex dpi = 135> C_n = \fracdfrac{4n-2}{n+1} C_{n-1} </tex>.
==Вычисление [[Производящая функция |производящей функции]] чисел Каталана==
{{Лемма
|id=lemma1.
|statement=<tex>\dbinom{\frac{1}{2}}{k} = \dfrac{(-1)^{k - 1}}{(2k - 1) \cdot 4^k} \cdot \dbinom{2k}{k} </tex>
|proof=
<tex>\dbinom{\frac{1}{2}}{k} = \dfrac{\dfrac{1}{2} \cdot (\dfrac{1}{2} - 1) \cdot (\dfrac{1}{2} - 2) \cdots (\dfrac{1}{2} - k + 1)}{k!} =
\dfrac{1 \cdot (1 - 2) \cdot (1 - 4) \cdots (1 - 2k + 2)}{2^k \cdot k!} = \dfrac{1 \cdot (-1) \cdot (-3) \cdots (-2k + 3)}{2^k \cdot k!}</tex>
<tex> = \dfrac{(-1)^{k - 1}}{2k - 1} \cdot \dfrac{1 \cdot 3 \cdot (2k - 3) \cdot (2k - 1)}{2^k \cdot k!} = \dfrac{(-1)^{k - 1}}{2k - 1} \cdot \dfrac{1 \cdot 2 \cdot 3 \cdots (2k - 3) \cdot (2k - 2) \cdot (2k - 1) \cdot 2k}{2 \cdot 4 \cdots (2k - 2) \cdot 2k \cdot 2^k \cdot k!}</tex>
<tex>= \dfrac{(-1)^{k - 1}}{2k - 1} \cdot \dfrac{(2k)!}{(2 \cdot 1) \cdot (2 \cdot 2) \cdots (2 \cdot (2k - 1)) \cdot (2 \cdot k) \cdot 2^k \cdot k!} = \dfrac{(-1)^{k - 1}}{2k - 1} \cdot \dfrac{(2k)!}{2^k \cdot (1 \cdot 2 \cdots (k - 1) \cdot k) \cdot 2^k\cdot k!} </tex>
<tex> = \dfrac{(-1)^{k - 1}}{2k - 1} \cdot \dfrac{(2k)!}{2^k \cdot k! \cdot 2^k\cdot k!} = \dfrac{(-1)^{k - 1}}{(2k - 1) \cdot 2^k \cdot 2^k} \cdot \dfrac{(2k)!}{k! \cdot k!}= \dfrac{(-1)^{k - 1}}{(2k - 1) \cdot 4^k} \dbinom{2k}{k}</tex>
}}
{{Задача
|definition = Вычислить производящую функцию чисел Каталана
}}
Пусть мы имеем последовательность чисел Каталана <tex>(C_0, C_1, C_2, \ldots)</tex>.
Как известно, рекуррентное соотношение для чисел Каталана имеет вид
<tex>C_0 C_n= \begin{cases}1</tex,&\text{если $n = 0$;}\\\sum\limits_{k = 0}^{n - 1}C_k C_{n - k - 1},&\text{если $n >0$.}\end{cases}
<tex>z^0 C_0 = z^0</tex>
Суммируя <tex>C_n z^n</tex> по всем <tex>n</tex> от <tex>0</tex> до <tex>\infty</tex>, получаем: <tex>G(z) = \sum\limits_{n = 0}^{\infty} C_n z^n = C^0 C_0 z^0 + \sum\limits_{n = 01}^{\infty}z^n \sum\limits_{k = 0}^{n - 1} C_k C_{n - k - 1} =C_0 + \sum\limits_{n = 01}^{\infty}z^n \sum\limits_{k = 0}^{n - 1} C_k C_{n - k - 1} = 1 + \sum\limits_{n = 01}^{\infty}z^n \sum\limits_{k = 0}^{n - 1} C_k C_{n - k - 1}</tex> (так как <tex>C_0 = 1</tex> по определению чисел Каталана). Получили, что <tex> G(z) = 1 + \sum\limits_{n = 1}^{\infty}z^n \sum\limits_{k = 0}^{n - 1} C_k C_{n - k - 1}~~~~~ \textbf{(1)}</tex>
Распишем произведение <tex>G(z) \cdot G(z)</tex> по определению [[Арифметические действия с формальными степенными рядами#def_mul | произведения формальных степенных рядов]].
<tex>G(z) \cdot G(z) = (\sum\limits_{n = 0}^{\infty} C_n z^n) \cdot (\sum\limits_{n = 0}^{\infty} C_n z^n) = \sum\limits_{n = 0}^{\infty}z^n \sum\limits_{k = 0}^{n} C_k C_{n - k}</tex>
В последнем выражении выполним сдвиг индексации, положив <tex>n' = n + 1</tex>. Тогда имеем: <tex>n = n' - 1, n = 0 \Rightarrow n' = 1.</tex>. Кроме того, <tex>z^n = z^{n' - 1}</tex>. <tex>n - k</tex> преобразуется в <tex>n' - 1 - k</tex> (так как <tex>n' - 1 = n</tex>). Тогда, преобразуя предыдущее выражение, получаем:
<tex>G(z) \cdot G(z) = \sum\limits_{n = 0}^{\infty}z^n \sum\limits_{k = 0}^{n} C_k C_{n - k} = \sum\limits_{n' = 1}^{\infty}z^{n' - 1} \sum\limits_{k = 0}^{n' - 1} C_k C_{n' - k - 1}</tex>
Домножая это произведение на <tex>z</tex>, получаем
<tex>z \cdot G^2(z) = z \cdot \sum\limits_{n' = 1}^{\infty}z^{n' - 1} \sum\limits_{k = 0}^{n' - 1} C_k C_{n' - k - 1} = \sum\limits_{n' = 1}^{\infty}z^{n'} \sum\limits_{k = 0}^{n' - 1} C_k C_{n' - k - 1}</tex> Тогда <tex>z \cdot G^2(z) = \sum\limits_{n = 1}^{\infty}z^{n} \sum\limits_{k = 0}^{n - 1} C_k C_{n - k - 1} ~~~~ \textbf{(2)}</tex>
Из <tex> \textbf{(1)}</tex> и <tex>\textbf{(2)}</tex> получаем:
<tex>G(z) = 1 + z \cdot G^2(z)</tex>
Преобразуя, получаем квадратное уравнение на <tex>G(z):</tex>
<tex>z \cdot G^2(z) - G(z) + 1 = 0</tex>
Из этого квадратного уравнения находим два варианта <tex>G(z):</tex>
<tex>G(z) = \dfrac{1 \pm \sqrt{1-4z}}{2z}</tex>
Выберем из двух корней тот, который удовлетворяет определению <tex>G(z)</tex> как производящей функции чисел Каталана.
Домножая обе части на <tex>2z</tex>, получаем <tex>G(z) \cdot 2z = 1 \pm \sqrt{1-4z} ~~~~~\textbf{(3)}</tex>
Выберем нужный из двух корней, посчитав значение обеих частей при <tex>z = 0</tex>
Тогда <tex>G(z) = \dfrac{1 - \sqrt{1-4z}}{2z}</tex>
Проверим, что <tex>G(z)</tex> действительно является производящей функцией чисел Каталана. Для этого разложим <tex>G(z)</tex> в ряд.
<tex>G(z) = \dfrac{1 - \sqrt{1-4z}}{2z} = \dfrac{1}{2z} - \dfrac{\sqrt{1-4z}}{2z} = \dfrac{1}{2z} - \dfrac{1}{2z} \cdot \sqrt{1 - 4z} = \dfrac{1}{2z} - \dfrac{1}{2z} \cdot (1 - 4z)^{\frac{1}{2}} = \dfrac{1}{2z} - \dfrac{1}{2z} \cdot \sum\limits_{n = 0}^{\infty} ((-4z)^n \cdot \dbinom{\frac{1}{2}}{n})</tex>
<tex> = \dfrac{1}{2z} - \dfrac{1}{2z} \cdot \sum\limits_{n = 0}^{\infty} ((-4z)^n \cdot \dfrac{(-1)^{n - 1}}{(2n - 1) \cdot 4^n} \cdot \dbinom{2n}{n}) = \dfrac{1}{2z} - \dfrac{1}{2z} \cdot \sum\limits_{n = 0}^{\infty} (\dfrac{(-1)^n \cdot 4^n \cdot z^n \cdot (-1)^{n - 1}}{(2n - 1) \cdot 4^n} \cdot \dbinom{2n}{n}) = \dfrac{1}{2z} - \dfrac{1}{2z} \cdot \sum\limits_{n = 0}^{\infty} (\dfrac{(-1)^{2n - 1} \cdot 4^n \cdot z^n}{(2n - 1) \cdot 4^n} \cdot \dbinom{2n}{n})</tex>
<tex> = \dfrac{1}{2z} - \dfrac{1}{2z} \cdot \sum\limits_{n = 0}^{\infty} (\dfrac{-z^n}{(2n - 1)} \cdot \dbinom{2n}{n}) = \dfrac{1}{2z} - \dfrac{1}{2z} \cdot \dfrac{-z^0}{2 \cdot 0 - 1} \cdot \dbinom{2 \cdot 0}{0} - \dfrac{1}{2z} \cdot \sum\limits_{n = 1}^{\infty} (\dfrac{-z^n}{(2n - 1)} \cdot \dbinom{2n}{n})</tex>
<tex>= \dfrac{1}{2z} - \dfrac{1}{2z} \cdot \dfrac{-1}{-1} \cdot 1- \dfrac{1}{2z} \cdot \sum\limits_{n = 1}^{\infty} (\dfrac{-z^n}{(2n - 1)} \cdot \dbinom{2n}{n}) = \dfrac{1}{2z} - \dfrac{1}{2z} - \dfrac{1}{2z} \cdot \sum\limits_{n = 1}^{\infty} (\dfrac{-z^n}{(2n - 1)} \cdot \dbinom{2n}{n}) = \dfrac{1}{2z} \cdot \sum\limits_{n = 1}^{\infty} (\dfrac{z^n}{(2n - 1)} \cdot \dbinom{2n}{n})</tex>
<tex> = \sum\limits_{n = 1}^{\infty} (\dfrac{z^{n - 1}}{(4n - 2)} \cdot \dbinom{2n}{n}) = \sum\limits_{n = 0}^{\infty} (\dfrac{z^{n}}{(4n + 2)} \cdot \dbinom{2n + 2}{n + 1}) = \sum\limits_{n = 0}^{\infty} (\dfrac{z^{n}}{(4n + 2)} \cdot \dbinom{2n + 2}{n + 1}) = \sum\limits_{n = 0}^{\infty} (\dfrac{z^{n}}{(4n + 2)} \cdot \dfrac{(2n + 2)!}{(n + 1)! \cdot (n + 1)!}</tex>
<tex> = \sum\limits_{n = 0}^{\infty} (\dfrac{z^{n}}{(4n + 2)} \cdot \dfrac{(2n)! \cdot (2n + 1) \cdot 2 \cdot (n + 1)}{(n)! \cdot (n)! \cdot (n + 1) \cdot (n + 1)}) = \sum\limits_{n = 0}^{\infty} (\dfrac{z^{n}}{(4n + 2)} \cdot \dfrac{2 \cdot (2n + 1)}{n + 1} \cdot \dbinom{2n}{n}) = \sum\limits_{n = 0}^{\infty} (\dfrac{z^{n}}{(4n + 2)} \cdot \dfrac{(4n + 2)}{n + 1} \cdot \dbinom{2n}{n})</tex>
<tex>= \sum\limits_{n = 0}^{\infty} (\dfrac{z^{n}}{(4n + 2)} \cdot \dfrac{2 \cdot (2n + 1)}{n + 1} \cdot \dbinom{2n}{n}) = \sum\limits_{n = 0}^{\infty} (z^n \cdot \dfrac{1}{n + 1} \cdot \dbinom{2n}{n})</tex>
Тогда коэффициент при <tex>z^n</tex> в разложении <tex>G(z)</tex> равен <tex>\dfrac{1}{n + 1} \cdot \dbinom{2n}{n}</tex>, что совпадает с аналитической формулой для чисел Каталана. (<tex>C_n = \dfrac{1}{n + 1} \cdot \dbinom{2n}{n}</tex>) Поэтому <tex>G(z) = \sum\limits_{n = 0}^{\infty} z^n \cdot C_n</tex>, поэтому <tex>G(z) = \dfrac{1 - \sqrt{1-4z}}{2z}</tex> является производящей функцией чисел Каталана.
==Смотри также==
