P3200题目

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🧠 题目回顾:

我们要统计满足以下条件的长度为 2n 的“有趣数列”有多少个(结果对 p 取模):

  1. 12n 的一个排列(不重复、无遗漏)。
  2. 所有奇数项严格递增,如 a[1] < a[3] < a[5] < ...
  3. 所有偶数项也严格递增,如 a[2] < a[4] < a[6] < ...
  4. 每对相邻项(奇数位和偶数位)满足:a[2i-1] < a[2i]

🧩 观察“模式”:这不就是“配对 + 排列”?

我们可以尝试从小的例子开始,比如:

n = 1,长度为2:

所有排列:

  • (1,2):符合(奇数项是1,偶数项是2,递增)✅
  • (2,1):不行(1不是偶数项,而且1>2)❌
    答案是 1。

n = 2,长度为4:

要求奇数项(a[1], a[3])递增,偶数项(a[2], a[4])递增,且每对(a[1],a[2])、(a[3],a[4])满足a[1]<a[2],a[3]<a[4]。

你会发现,这其实很像我们从一个有序栈出栈的操作。


🧱 引入“栈”的比喻:栈中合法出栈序列

我们可以借用“栈”的知识来建模:

  • 把奇数位置当作“入栈”的顺序(要递增)。
  • 偶数位置当作“出栈”的顺序(也要递增)。
  • 每对(a[i], a[i+1])满足a[i] < a[i+1]:就像先入后出。

🏗️ 重点变成“卡特兰数”(Catalan Number)

其实,这个问题变成了:从1到2n中挑出n个数字,放在奇数位递增,剩下n个数字放在偶数位也递增,并且奇位的每个数字都小于对应偶位的数字

这个组合过程可以用“卡特兰数”来解决。


📌 什么是卡特兰数?

卡特兰数(Catalan Number)是一个经典的数学数列,用来解决很多“括号匹配”“合法出栈序列”“二叉树构造”等问题。

第 n 个卡特兰数的公式是:

''''''''''';./;.L?.;.,/.,,L.,.KMJK,LKMJNHJMKL;KLOKIJUIKOJUHYUJIUYTYUI8U7Y6T5T675656001425487542158/5623659*9+6 36+96 3..0212121 7174 ] ]'[] ]'[] ][=[-=\

✅ 本题的解法是:

我们要构造 n 个“合法对”,满足“左边小于右边”,每个“奇数位 < 偶数位”,并且两个子序列递增。

这正好是第 n 个卡特兰数的场景。


🧮 如何编程实现?

由于 n 可能达到 10610^6106,我们需要快速求组合数模 p(用快速幂阶乘逆元)。


📚 教学建议:

第一步:复习“栈”的基本概念

  • 入栈:先进后出
  • 出栈序列:哪些出栈顺序是合法的?

第二步:讲一个经典题目

  • 题目:栈中元素 1~n 入栈,有多少种合法的出栈序列?答案是卡特兰数!

第三步:引导学生“套用场景”

  • 本题可以看作是 n 对数满足“奇数项小于偶数项”,并且都单调递增
  • 相当于 n 个“合法括号对”,或“合法栈操作序列”

第四步:引入卡特兰数计算公式

  • 推导组合数公式
  • 模运算 + 逆元计算技巧