作者: 负雪明烛
id: fuxuemingzhu
个人博客: http://fuxuemingzhu.cn/


题目地址:https://leetcode.com/problems/unique-binary-search-trees/description/

题目描述

Given n, how many structurally unique BST’s (binary search trees) that store values 1...n?

For example,

Given n = 3, there are a total of 5 unique BST's.

   1         3     3      2      1
\ / / / \ \
3 2 1 1 3 2
/ / \ \
2 1 2 3

题目大意

给了一个数字n,问n个节点的二叉树有多少种?

解题方法

记忆化递归

思路:从1...n中找出一个i作为根节点,比i小的数1...i-1作为左子树,比i大的数i+1...n作为右子树,左子树的排列和右子树的排列的乘积是此时的数目。

因为直接递归会超时,所以加上了记忆化搜索的方法,这样就快的多了。

class Solution(object):
def __init__(self):
self.dp = dict() def numTrees(self, n):
"""
:type n: int
:rtype: int
"""
if n in self.dp:
return self.dp[n]
if n == 0 or n == 1:
return 1
ans = 0
for i in range(1, n + 1):
ans += self.numTrees(i - 1) * self.numTrees(n - i)
self.dp[n] = ans
return ans

使用C++代码和上面类似,同样使用记忆化搜索能够完成。只不过,这里需要注意的一点是,左边的孩子数目是i的时候,右边的孩子数目因该是n - 1 - i,因为要去掉根节点。

代码如下:

class Solution {
public:
int numTrees(int n) {
if (n == 0) return 1;
if (m_.count(n)) return m_[n];
int res = 0;
for (int i = 0; i < n; i++) {
int left = numTrees(i);
int right = numTrees(n - 1 - i);
res += left * right;
}
return m_[n] = res;
}
private:
unordered_map<int, int> m_;
};

动态规划

同样是上面的思路,如果使用动态规划去做,可以设dp[i]是i个节点的二叉树有多少种组合。那么,很明显和上面解法一样的,dp[i]等于左子树有0个节点,左子树有1个节点,左子树有2个节点……等等情况下的和。对于左右子树的组合方式是独立事件,所以总的组合数是左右子树相乘的关系。

完整的推导在下面,参照了:http://blog.csdn.net/u012501459/article/details/46622501

给定一个数n,求1到n这些数可以构成多少棵二叉树。
给定一个序列1.....n,为了构造所有二叉树,我们可以使用1......n中的每一个数i作为根节点,自然1......(i-1)必然位于树的左子树中,(i+1).....n位于树的右子树中。然后可以递归来构建左右子树,由于根节点是唯一的,所以可以保证构建的二叉树都是唯一的。 使用两个状态来记录: G(n):长度为n的序列的所有唯一的二叉树。 F(i,n),1<=i<=n:以i作为根节点的二叉树的数量。 G(n)就是我们要求解的答案,G(n)可以由F(i,n)计算而来。 G(n)=F(1,n)+F(2,n)+...+F(n,n) (1) G(0)=1,G(1)=1 对于给定的一个序列1.....n,我们取i作为它的根节点,那么以i作为根节点的二叉树的数量F(i)可以由下面的公式计算而来: F(i,n)=G(i-1)*G(n-i) 1<=i<=n (2) 综合公式(1)和公式(2),可以看出: G(n) = G(0) * G(n-1) + G(1) * G(n-2) + … + G(n-1) * G(0) 这就是上面这个问题的答案。

答案:

class Solution(object):
def numTrees(self, n):
"""
:type n: int
:rtype: int
"""
dp = [1, 1]
for i in xrange(2, n + 1):
count = 0
for j in xrange(i):
count += dp[j] * dp[i - j - 1]
dp.append(count)
return dp.pop()

上面的做法的C++代码如下:

class Solution {
public:
int numTrees(int n) {
// how many trees if the total tree has dp[i] nodes.
vector<int> dp(n + 1);
dp[0] = dp[1] = 1;
for (int i = 2; i < n + 1; i ++) {
for (int j = 0; j < i; j++) {
dp[i] += dp[j] * dp[i - 1 - j];
}
}
return dp[n];
}
};

卡特兰数

卡塔兰数的一般项公式为

h(0)=1,h(1)=1,卡塔兰数数满足递归式:

h(n)= h(0)*h(n-1) + h(1)*h(n-2) + ... + h(n-1)h(0) (其中n>=2)这是n阶递归关系;

该递推关系的解为:

h(n)=C(2n,n)/(n+1)=P(2n,n)/(n+1)!=(2n)!/(n!*(n+1)!) (n=1,2,3,...)

代码如下:

class Solution {
public:
int numTrees(int n) {
// how many trees if the total tree has dp[i] nodes.
long long res = 1;
for (int i = n + 1; i <= 2 * n; i++) {
res = res * i / (i - n);
}
return res / (n + 1);
}
};

卡特兰数的前20项是固定的,也就可以直接返回对应的数字即可。

class Solution {
public:
int numTrees(int n) {
// how many trees if the total tree has dp[i] nodes.
vector<int> dp = {1, 1, 2, 5, 14, 42, 132, 429, 1430, 4862, 16796, 58786, 208012, 742900, 2674440, 9694845, 35357670, 129644790, 477638700, 1767263190};
return dp[n];
}
};

日期

2018 年 2 月 25 日
2018 年 12 月 31 日 —— 2018年最后一天!

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