🧠 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):
- 是
1到2n的一个排列(不重复、无遗漏)。 - 所有奇数项严格递增,如
a[1] < a[3] < a[5] < ...。 - 所有偶数项也严格递增,如
a[2] < a[4] < a[6] < ...。 - 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里出栈的操作。
🧱 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(用快速幂和阶乘逆元)。
📚 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