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【XSY4320】Catalan(组合意义,DP,多项式)

时间:2022-10-31 07:57:02浏览次数:100  
标签:geq frac sum pos Catalan XSY4320 二叉树 递推 DP

题面:

Catalan

题解:

假瑞的做法orz

考虑用组合意义来做,观察递推式 \(f_i=\frac{1}{i}\sum_{j=0}^{i-1}f_jf_{i-j-1}\),它除了和卡特兰数递推式很像之外,还和二叉树计数的递推式很像。

同时注意到 \(f_0=0\),所以递推式可以变为 \(f_i=\frac{1}{i}\sum_{j=1}^{i-2}f_jf_{i-j-1}\),即我们二叉树中每个非叶子节点都有恰好两个儿子,那么也可知 \(n\) 一定为奇数。下面 “完全二叉树” 的意义为每个非叶子节点都有恰好两个儿子的二叉树。

那么 \(f_n\) 就可以理解为枚举每一种完全二叉树,然后把 \(\prod_{u}\frac{1}{sz_u}\) 的贡献统计进答案。

注意这里枚举的二叉树是无标号但是有左右儿子之分的,那么我们不妨将这棵二叉树上的点按 dfn 序标号。

发现 \(\prod_u\frac{1}{sz_u}\) 就是这棵二叉树的拓扑序数量除以 \(n!\),那么现在的问题转变为:枚举每一种二叉树,然后把其拓扑序个数统计进答案。

考虑每个点 \(i\)(注意这里是按 dfn 序标号,上面已经说过了)在拓扑序中的位置 \(pos_i\),发现对于每一种 \(1\sim n\) 的排列,如果把它当做 \(pos\) 序列的话,其唯一对应着一棵普通二叉树,即为这个排列的笛卡尔树。

但是还没完,这个 \(pos\) 序列对应的不一定是一棵完全二叉树,我们只要那些完全二叉树的方案。

发现一棵树是完全二叉树当且仅当 dfn 序为奇数的点都是叶子,那么一个序列 \(pos\) 是来自完全二叉树的当且仅当:

\[\forall i\bmod 2=1, pos_i>pos_{i-1}\land pos_i>pos_{i+1} \]

完整写下来:\(pos_1>pos_2<pos_3>pos_4<\cdots >pos_{n-1}<pos_n\)。我们只需要求出满足该条件的排列个数即可。

考虑让所有大于号都满足,然后容斥哪些小于号不满足,那么就得到了若干段连续的大于号,即:

\[n!\sum_{s_1+\cdots+s_m=n}\left(\prod_{i=1}^{m-1}\frac{(-1)^{s_i/2-1}}{s_i!}\right)\left(\frac{(-1)^{(s_m-1)/2}}{s_m!}\right) \]

其中要求 \(s_1,\cdots,s_{m-1}\) 为正偶数,\(s_m\) 为正奇数。

设 \(F(x)=\sum_{i\geq 1,2|i}\frac{(-1)^{i/2-1}}{i!}x^i\),\(G(x)=\sum_{i\geq 1,2\not|i}\frac{(-1)^{(i-1)/2}}{i!}x^i\),那么我们要求的就是:

\[[x^n]\frac{G(x)}{1-F(x)} \]

时间复杂度 \(O(n\log n)\)。

神奇的是,你发现 \(\sum_{i\geq 0}\frac{(-1)^{i/2}}{i!}x^i=\cos(x)\),\(G(x)=\sin (x)\),于是我们要求的其实是:

\[[x^n]\frac{\cos(x)}{\sin(x)}=[x^n]\tan(x) \]

标签:geq,frac,sum,pos,Catalan,XSY4320,二叉树,递推,DP
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